Показникова функція. Показникові рівняння і нерівності

Показникова функція описує все, що росте «у стільки-то разів за крок»: банківський вклад, популяцію, радіоактивний розпад. Її ключова відмінність від степеневої в тому, що змінна стоїть у показнику, а не в основі. Через це x2x^2 і 2x2^x поводяться зовсім по-різному — і плутати їх не можна.

Показникова функція

Показниковою називають функцію y=axy = a^x, де основа a>0a > 0, a≠1a \ne 1. Її властивості:

  • область визначення — усі числа, область значень — y>0y > 0 (графік завжди вище осі OxOx);
  • проходить через точку (0; 1)(0;\,1), бо a0=1a^0 = 1;
  • при a>1a > 1 функція зростає, при 0<a<10 < a < 1 — спадає.

Те, що ax>0a^x > 0 завжди, має практичний наслідок: рівняння на кшталт 2x=−82^x = -8 чи 3x=03^x = 0 розв'язків не мають, і це видно одразу, без перетворень. Ще один наслідок — показникова функція строго монотонна, а отже, набуває кожного значення рівно один раз. Саме тому від рівності степенів можна переходити до рівності показників.

Показникові рівняння

Найпростіший спосіб — звести обидві частини до однакової основи й прирівняти показники:

af(x)=ag(x)  ⟺  f(x)=g(x)(a>0, a≠1).a^{f(x)} = a^{g(x)} \iff f(x) = g(x) \quad (a > 0,\ a \ne 1).

Наприклад, 2x=8=23⇒x=32^x = 8 = 2^3 \Rightarrow x = 3.

Корисні степені — вивчи напам'ять

Саме вони дають змогу миттєво «впізнати» число й звести рівняння до спільної основи:

ОсноваСтепені
2222=42^2=4, 23=82^3=8, 24=162^4=16, 25=322^5=32, 26=642^6=64, 27=1282^7=128
3332=93^2=9, 33=273^3=27, 34=813^4=81, 35=2433^5=243
5552=255^2=25, 53=1255^3=125
1010102=10010^2=100, 103=100010^3=1000
Як цим користуватися

Побачив 2x=322^x = 32 — згадав, що 32=2532 = 2^5, і одразу x=5x = 5. Тобто головне вміння — упізнати число як степінь потрібної основи.

Не забувай і про дробові та від'ємні степені: 18=2−3\dfrac{1}{8} = 2^{-3}, 2=21/2\sqrt{2} = 2^{1/2}, 19=3−2\dfrac{1}{9} = 3^{-2}. Дуже часто «незручне» число в правій частині виявляється саме таким степенем.

Приклад 1 — зведення до спільної основи

Розв'яжемо 32x−1=813^{2x - 1} = 81.

  1. Упізнаємо праву частину: 81=3481 = 3^4;
  2. основи однакові, тому прирівнюємо показники: 2x−1=42x - 1 = 4;
  3. звідси 2x=52x = 5 і x=2,5x = 2{,}5.

Перевірка: 32⋅2,5−1=34=813^{2\cdot2{,}5 - 1} = 3^4 = 81 ✅.

Приклад 2 — від'ємний степінь

Розв'яжемо (12)x=8\left(\dfrac{1}{2}\right)^{x} = 8.

  1. Зводимо обидві частини до основи 22: 12=2−1\dfrac{1}{2} = 2^{-1}, отже ліворуч (2−1)x=2−x\left(2^{-1}\right)^{x} = 2^{-x};
  2. праворуч 8=238 = 2^3;
  3. прирівнюємо показники: −x=3-x = 3, звідси x=−3x = -3.

Відповідь: x=−3x = -3. Зверни увагу: основа менша за одиницю, тому функція спадає — і зростанню правої частини відповідає зменшення xx.

Показникові нерівності

Розв'язуючи af(x)≶ag(x)a^{f(x)} \lessgtr a^{g(x)}, порівнюють показники, але напрям знака залежить від основи:

a>1: af>ag  ⟺  f>g(знак зберігається);a > 1:\ a^{f} > a^{g} \iff f > g \quad (\text{знак зберігається});

0<a<1: af>ag  ⟺  f<g(знак змінюється).0 < a < 1:\ a^{f} > a^{g} \iff f < g \quad (\text{знак змінюється}).

Основа менша за одиницю

Якщо основа 0<a<10 < a < 1 (функція спадає), при переході від степенів до показників знак нерівності змінюється на протилежний. Наприклад, (12)x>(12)3  ⟺  x<3\left(\tfrac12\right)^x > \left(\tfrac12\right)^3 \iff x < 3.

Правило те саме, що й у логарифмічних нерівностях, і причина та сама — напрям монотонності. Якщо забув, у який бік розвертати знак, перевір на конкретних числах: (12)1=0,5\left(\dfrac{1}{2}\right)^1 = 0{,}5, а (12)3=0,125\left(\dfrac{1}{2}\right)^3 = 0{,}125. Більшому показнику відповідає менше значення, отже функція спадає.

Приклад 3 — нерівність зі спадною основою

Розв'яжемо 0,5 x−2≥40{,}5^{\,x-2} \ge 4.

  1. Зводимо до однієї основи: 0,5=2−10{,}5 = 2^{-1}, тому ліворуч 2−(x−2)2^{-(x-2)}; праворуч 4=224 = 2^2;
  2. основа 2>12 > 1, знак зберігається: −(x−2)≥2-(x - 2) \ge 2;
  3. розкриваємо дужки: −x+2≥2-x + 2 \ge 2, звідси −x≥0-x \ge 0;
  4. ділимо на −1-1 і розвертаємо знак: x≤0x \le 0.

Відповідь: x∈(−∞; 0]x \in (-\infty;\ 0]. Тут знак розвернувся не через основу (ми звели все до 2>12 > 1), а через ділення на від'ємне число — уважно розрізняй ці два випадки.

Типові помилки

  • Не розвертають знак нерівності при основі, меншій за одиницю.
  • Плутають axa^x і xax^a. У показниковій функції змінна — у показнику.
  • Шукають розв'язки рівняння з від'ємною правою частиною. ax>0a^x > 0 завжди.
  • Прирівнюють показники за різних основ. Спершу треба звести обидві частини до однієї основи.
  • Помиляються в дії з показниками при піднесенні степеня до степеня. Тут показники множаться: (2−1)x=2−x\left(2^{-1}\right)^x = 2^{-x}.

Перевір себе

Порада щодо вводу

Дробову відповідь вводь як 1/9 (можна й десятковим). Перевірка порівнює чисельно.

Завдання формату НМТ

Завдання в тому вигляді, як їх дають на національному мультипредметному тесті: вибір однієї відповіді з п’яти (А–Д), установлення відповідності та коротка відповідь десятковим дробом. Там, де є позначка «Прототип», задачу побудовано за типом реального завдання НМТ минулих років; числа в умові щоразу нові.

  • Показникова нерівність

    Вибір А–Д · Прототип: НМТ 2022 · №13

  • Проміжок кореня показникового рівняння

    Вибір А–Д · Прототип: НМТ 2025 · зошит 2 · №11

  • Корені показникового рівняння

    Вибір А–Д · Прототип: НМТ 2024 · зошит 2 · №14

  • Показникове рівняння з винесенням множника

    Коротка відповідь

Приклади розв’язання завдань НМТ

Так розв’язують завдання формату НМТ із цієї теми — по одному прикладу на кожен формат: вибір відповіді, відповідність, коротка відповідь. У розділі «Завдання формату НМТ» числа щоразу нові, а тут кожен крок розписано.

  1. 1Показникова нерівність
    Вибір А–Д
    Прототип: НМТ 2022 · №13
    Розв’яжіть нерівність 0,2x−4≤25. 0{,}2^{x - 4} \le 25.
    • А[−6; +∞)[-6;\ +\infty)
    • Б[−2; +∞)[-2;\ +\infty)
    • В(2; +∞)(2;\ +\infty)
    • Г[2; +∞)[2;\ +\infty)
    • Д(−∞; 2](-\infty;\ 2]
    Запишіть праву частину як степінь основи 0,2 0{,}2; якщо основа менша за 1, знак нерівності змінюється.
    Показати розв’язання
    1. 1
      25=0,2−2⇒x−4≥−225 = 0{,}2^{-2} \Rightarrow x - 4 \ge -2 (основа менша за 1)⇒x≥2 \Rightarrow x \ge 2
    Відповідь: Г) [2; +∞) [2;\ +\infty)
  2. 2Проміжок кореня показникового рівняння
    Вибір А–Д
    Прототип: НМТ 2025 · зошит 2 · №11
    Якому проміжку належить корінь рівняння (12)x−5=22? \left(\dfrac{1}{2}\right)^{x - 5} = 2\sqrt{2}?
    • А(−∞; 3](-\infty;\ 3]
    • Б(3; 5](3;\ 5]
    • В(5; 7](5;\ 7]
    • Г(7; 9](7;\ 9]
    • Д(9; +∞)(9;\ +\infty)
    (12)t=2−t\left(\dfrac{1}{2}\right)^{t} = 2^{-t}, а 2=212. \sqrt{2} = 2^{\frac{1}{2}}.
    Показати розв’язання
    1. 1
      2−(x−5)=21,5⇒−x+5=1,5⇒x=3,52^{-(x - 5)} = 2^{1{,}5} \Rightarrow -x + 5 = 1{,}5 \Rightarrow x = 3{,}5
    Відповідь: Б) (3; 5] (3;\ 5]
  3. 3Показникове рівняння з винесенням множника
    Коротка відповідь
    Розв’яжіть рівняння 3x+1+3x=12. 3^{x+1} + 3^{x} = 12.
    Винесіть за дужки 3x. 3^{x}.
    Показати розв’язання
    1. 1
      3x(3+1)=12⇒3x=3⇒x=13^{x}(3 + 1) = 12 \Rightarrow 3^{x} = 3 \Rightarrow x = 1
    Відповідь: 11