Логарифмічна функція. Логарифмічні нерівності
Логарифмічні рівняння й нерівності — одна з тих тем НМТ, де більшість помилок трапляється не в обчисленнях, а в неуважності: правильно знайдений корінь виявляється стороннім, а знак нерівності «забувають» розвернути. Причина в обох випадках одна — не врахували, як влаштована сама логарифмічна функція. Тому починаємо не з прийомів розв'язування, а з двох її властивостей, від яких залежить усе інше: області визначення й монотонності.
Монотонність і ОДЗ
Логарифмічна функція означена лише для (це її область визначення). Причина проста: — це показник степеня, до якого треба піднести основу , щоб дістати . Додатне число у будь-якому степені лишається додатним, тому від'ємного чи нульового отримати неможливо — логарифма від такого числа просто не існує.
Основа теж не будь-яка: і . Одиниця виключена з тієї ж причини — за будь-якого , тож рівняння не має розв'язку ні для якого .
Друга ключова властивість — функція строго монотонна, і напрям залежить від основи:
- при — зростає;
- при — спадає.
Саме монотонність дає змогу переходити від логарифмів до їхніх аргументів. Строго монотонна функція набуває кожного значення рівно один раз, тому з рівності логарифмів обов'язково випливає рівність аргументів:
Якби функція не була монотонною, такий перехід був би незаконним — різні аргументи могли б давати однакове значення логарифма.
Логарифмічні рівняння
Найпростіше рівняння розв'язують за означенням:
Для рівняння з виразом усередині, , схема та сама: спершу знаходять , розв'язують здобуте рівняння, а потім перевіряють ОДЗ ().
Розв'яжемо .
- За означенням логарифма переходимо до степеня: ;
- обчислюємо: ;
- перевіряємо ОДЗ: — корінь підходить.
Відповідь: .
Розв'яжемо .
- За означенням: ;
- зводимо до квадратного рівняння: ;
- за теоремою Вієта корені , ;
- перевіряємо ОДЗ, тобто умову :
- для : — підходить;
- для : — теж підходить.
Відповідь: або . Зверни увагу: від'ємний корінь тут не сторонній — під логарифмом стоїть не сам , а вираз , і він додатний. Відкидати корінь лише за те, що він від'ємний, — типова помилка.
Перш ніж розв'язувати логарифмічне рівняння чи нерівність, знайди ОДЗ: усі вирази під логарифмами мають бути додатними. Корені, що не входять в ОДЗ, — сторонні.
Логарифмічні нерівності
Переходячи від до , напрям знака залежить від основи (і завжди пам'ятаємо про ):
При основі функція спадає: більшому логарифму відповідає менший аргумент. Тому нерівність «розвертається», а умова дає нижню межу.
Зверни увагу на важливу різницю між двома випадками. При умова уже сильніша за (адже ), тож ОДЗ виконується автоматично. А при нерівність дає лише верхню межу, і нижню доводиться дописувати з ОДЗ окремо — звідси подвійна нерівність . Саме тут найчастіше втрачають половину відповіді.
Розв'яжемо .
- ОДЗ: , тобто ;
- основа , функція зростає — знак зберігаємо: ;
- звідси ;
- перетинаємо з ОДЗ: умова сильніша за , тож вона й лишається.
Відповідь: .
Розв'яжемо .
- ОДЗ: ;
- основа , функція спадає — знак розвертаємо: ;
- обчислюємо степінь: , отже ;
- об'єднуємо з ОДЗ: .
Відповідь: . Якби ми забули про ОДЗ, відповідь помилково включала б усі від'ємні числа й нуль.
Типові помилки
- Не розвернули знак при основі, меншій за одиницю. Перед тим як прибирати логарифм у нерівності, завжди дивись на основу. Якщо не пам'ятаєш правило — підстав будь-яке число й перевір: , а ; більшому аргументу відповідає менший логарифм, отже функція спадає.
- Забули ОДЗ у відповіді. Особливо при спадній основі, де ОДЗ дає нижню межу проміжку. Корисна звичка — виписувати ОДЗ першим рядком, ще до перетворень.
- Відкидають від'ємні корені «за звичкою». Умова стосується не змінної, а виразу під логарифмом. Якщо там стоїть чи , від'ємний цілком може бути правильною відповіддю (див. приклад 2).
- Плутають ОДЗ основи й аргументу. Якщо основа теж містить змінну, до умов додаються ще дві: основа має бути додатною й не дорівнювати одиниці.
- Втрачають розв'язки при переході до аргументів у нерівності виду . Тут ОДЗ треба вимагати для обох виразів, а не лише для того, що виявився меншим.