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 y=logaxy = \log_a x означена лише для x>0x > 0 (це її область визначення). Причина проста: logax\log_a x — це показник степеня, до якого треба піднести основу aa, щоб дістати xx. Додатне число aa у будь-якому степені лишається додатним, тому від'ємного чи нульового xx отримати неможливо — логарифма від такого числа просто не існує.

Основа теж не будь-яка: a>0a > 0 і a1a \ne 1. Одиниця виключена з тієї ж причини — 1c=11^c = 1 за будь-якого cc, тож рівняння 1c=x1^c = x не має розв'язку ні для якого x1x \ne 1.

Друга ключова властивість — функція строго монотонна, і напрям залежить від основи:

  • при a>1a > 1зростає;
  • при 0<a<10 < a < 1спадає.

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:

logaf(x)=logag(x)    f(x)=g(x)(f(x)>0, g(x)>0).\log_a f(x) = \log_a g(x) \iff f(x) = g(x) \quad (f(x) > 0,\ g(x) > 0).

Якби функція не була монотонною, такий перехід був би незаконним — різні аргументи могли б давати однакове значення логарифма.

Логарифмічні рівняння

Найпростіше рівняння logax=c\log_a x = c розв'язують за означенням:

logax=c    x=ac(x>0).\log_a x = c \iff x = a^c \quad (x > 0).

Для рівняння з виразом усередині, logaf(x)=c\log_a f(x) = c, схема та сама: спершу знаходять f(x)=acf(x) = a^c, розв'язують здобуте рівняння, а потім перевіряють ОДЗ (f(x)>0f(x) > 0).

Приклад 1 — рівняння за означенням

Розв'яжемо log2x=3\log_2 x = 3.

  1. За означенням логарифма переходимо до степеня: x=23x = 2^3;
  2. обчислюємо: x=8x = 8;
  3. перевіряємо ОДЗ: 8>08 > 0 — корінь підходить.

Відповідь: x=8x = 8.

Приклад 2 — коли з'являється сторонній корінь

Розв'яжемо log3(x22x)=1\log_3 (x^2 - 2x) = 1.

  1. За означенням: x22x=31=3x^2 - 2x = 3^1 = 3;
  2. зводимо до квадратного рівняння: x22x3=0x^2 - 2x - 3 = 0;
  3. за теоремою Вієта корені x1=3x_1 = 3, x2=1x_2 = -1;
  4. перевіряємо ОДЗ, тобто умову x22x>0x^2 - 2x > 0:
    • для x=3x = 3: 96=3>09 - 6 = 3 > 0 — підходить;
    • для x=1x = -1: 1+2=3>01 + 2 = 3 > 0 — теж підходить.

Відповідь: x=1x = -1 або x=3x = 3. Зверни увагу: від'ємний корінь тут не сторонній — під логарифмом стоїть не сам xx, а вираз x22xx^2 - 2x, і він додатний. Відкидати корінь лише за те, що він від'ємний, — типова помилка.

Область визначення — завжди перша

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 logaxc\log_a x \lessgtr c до xx, напрям знака залежить від основи (і завжди пам'ятаємо про x>0x > 0):

a>1: logax>c    x>ac(знак зберігається);a > 1:\ \log_a x > c \iff x > a^c \quad (\text{знак зберігається});

0<a<1: logax>c    0<x<ac(знак змінюється).0 < a < 1:\ \log_a x > c \iff 0 < x < a^c \quad (\text{знак змінюється}).

Чому змінюється знак

При основі 0<a<10 < a < 1 функція спадає: більшому логарифму відповідає менший аргумент. Тому нерівність «розвертається», а умова x>0x>0 дає нижню межу.

Зверни увагу на важливу різницю між двома випадками. При a>1a > 1 умова x>acx > a^c уже сильніша за x>0x > 0 (адже ac>0a^c > 0), тож ОДЗ виконується автоматично. А при 0<a<10 < a < 1 нерівність дає лише верхню межу, і нижню доводиться дописувати з ОДЗ окремо — звідси подвійна нерівність 0<x<ac0 < x < a^c. Саме тут найчастіше втрачають половину відповіді.

Приклад 3 — основа більша за одиницю

Розв'яжемо log2(x1)>3\log_2 (x - 1) > 3.

  1. ОДЗ: x1>0x - 1 > 0, тобто x>1x > 1;
  2. основа 2>12 > 1, функція зростає — знак зберігаємо: x1>23=8x - 1 > 2^3 = 8;
  3. звідси x>9x > 9;
  4. перетинаємо з ОДЗ: умова x>9x > 9 сильніша за x>1x > 1, тож вона й лишається.

Відповідь: x(9; +)x \in (9;\ +\infty).

Приклад 4 — основа менша за одиницю

Розв'яжемо log0,5x2\log_{0{,}5} x \ge -2.

  1. ОДЗ: x>0x > 0;
  2. основа 0,5<10{,}5 < 1, функція спадає — знак розвертаємо: x(0,5)2x \le (0{,}5)^{-2};
  3. обчислюємо степінь: (0,5)2=(12)2=22=4(0{,}5)^{-2} = \left(\dfrac{1}{2}\right)^{-2} = 2^2 = 4, отже x4x \le 4;
  4. об'єднуємо з ОДЗ: 0<x40 < x \le 4.

Відповідь: x(0; 4]x \in (0;\ 4]. Якби ми забули про ОДЗ, відповідь x4x \le 4 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: log0,58=3\log_{0{,}5} 8 = -3, а log0,52=1\log_{0{,}5} 2 = -1; 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 x>0x > 0 стосується не змінної, а виразу під логарифмом. Якщо там стоїть x22xx^2 - 2x чи 3x3 - x, від'ємний xx 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 logaf(x)>logag(x)\log_a f(x) > \log_a g(x). Тут ОДЗ треба вимагати для обох виразів, а не лише для того, що виявився меншим.

Перевір себе

Розібрані приклади

Так виглядають задачі цієї теми в тренажері. Тут вони розібрані повністю — у самому тренажері числа в умові щоразу нові, а розв’язання відкривається після вашої відповіді.

  1. Приклад 1. Логарифмічне рівняння

    Розв'яжіть lgx=1 \lg x = 1

    Відповідь: 1010

    Розв'язання: x=101=10x = 10^{1} = 10
  2. Приклад 2. Логарифмічне рівняння з аргументом

    Розв'яжіть log2(x+4)=3 \log_{2} (x + 4) = 3

    Відповідь: 44

    Розв'язання: x+4=23=8x=84=4x + 4 = 2^{3} = 8 \Rightarrow x = 8 - 4 = 4
  3. Приклад 3. Логарифмічна нерівність

    Розв'яжіть log10x>2 \log_{10} x > 2
    • А)x > 100
    • Б)0 < x < 100

    Відповідь: x > 100

    Розв'язання: log10x>2    x>100\log_{10} x > 2 \iff x > 100