1º. Показательными уравнениями называют уравнения, содержащие переменную в показателе степени.
Решение показательных уравнений основано на свойстве степени: две степени с одним и тем же основание равны тогда и только тогда, когда равны их показатели.
2º. Основные способы решения показательных уравнений :
1) простейшее уравнение имеет решение ;
2) уравнение вида логарифмированием по основанию a сводят к виду ;
3) уравнение вида равносильно уравнению ;
4) уравнение вида 
равносильно уравнению .
5) уравнение вида через замену сводят к уравнению , а затем решают совокупность простейших показательных уравнений ;
6) уравнение со взаимно обратными величинами 
заменой сводят к уравнению , а затем решают совокупность уравнений ;
7) уравнения, однородные относительно a g (x)
и b g (x)
при условии 
вида 
через замену сводят к уравнению , а затем решают совокупность уравнений .
Классификация показательных уравнений.
1. Уравнения, решаемые переходом к одному основанию .
Пример 18. Решить уравнение 
.
Решение: Воспользуемся тем, что все основания степеней являются степенями числа 5: .
2. Уравнения, решаемые переходом к одному показателю степени .
Эти уравнения решаются преобразованием исходного уравнения к виду , которое использованием свойства пропорции приводится к простейшему.
Пример 19. Решить уравнение:
3. Уравнения, решаемые вынесением общего множителя за скобки .
Если в уравнении каждый показатель степени отличается от другого на некоторое число, то уравнения решаются вынесением за скобки степени с наименьшим показателем.
Пример 20. Решить уравнение .
Решение: Вынесем в левой части уравнения степень с наименьшим показателем за скобки:
Пример 21. Решить уравнение 
Решение: Сгруппируем отдельно в левой части уравнения слагаемые, содержащие степени с основанием 4, в правой части – с основанием 3, затем вынесем степени с наименьшим показателем за скобки:
4. Уравнения, сводящиеся к квадратным (или кубическим) уравнениям .
К квадратному уравнению относительно новой переменной y сводятся уравнения:
а) вида подстановкой , при этом ;
б) вида подстановкой , при этом .
Пример 22. Решить уравнение 
.
Решение: Сделаем замену переменной и решим квадратное уравнение:
.
Ответ: 0; 1.
5. Однородные относительно показательных функций уравнения.
Уравнение вида является однородным уравнением второй степени относительно неизвестных a x и b x . Такие уравнения сводятся предварительным делением обеих частей на и последующей подстановкой к квадратным уравнениям.
Пример 23. Решить уравнение .
Решение: Разделим обе части уравнения на :
Положив , получим квадратное уравнение с корнями .
Теперь задача сводится к решению совокупности уравнений 
. Из первого уравнения находим, что . Второе уравнение не имеет корней, так как при любых значения x
.
Ответ: -1/2.
6. Рациональные относительно показательных функций уравнения .
Пример 24. Решить уравнение .
Решение: Разделим числитель и знаменатель дроби на 3 x и получим вместо двух – одну показательную функцию:
7. Уравнения вида 
.
Такие уравнения с множеством допустимых значений (ОДЗ), определяемым условием , логарифмированием обеих частей уравнения приводятся к равносильному уравнению , которые в свою очередь равносильны совокупности двух уравнений или .
Пример 25. Решить уравнение: .
.
Дидактический материал.
Решите уравнения:
1. ; 2. ; 3. 
;
4. 
; 5. ; 6. ;
9. 
; 10. 
; 11. 
;
14. 
; 15. ;
16. 
; 17. 
;
18. ; 19. 
;
20. ; 21. 
;
22. 
; 23. 
;
24. 
; 25. 
.
26. Найдите произведение корней уравнения 
.
27. Найдите сумму корней уравнения 
.
Найдите значение выражения:
28. , где x 0 – корень уравнения ;
29. , где x 0
– целый корень уравнения 
.
Решите уравнение:
31. 
; 32. .
Ответы: 1. 0; 2. -2/9; 3. 1/36; 4. 0, 0.5; 5. 0; 6. 0; 7. -2; 8. 2; 9. 1, 3; 10. 8; 11. 5; 12. 1; 13. ¼; 14. 2; 15. -2, -1; 16. -2, 1; 17. 0; 18. 1; 19. 0; 20. -1, 0; 21. -2, 2; 22. -2, 2; 23. 4; 24. -1, 2; 25. -2, -1, 3; 26. -0.3; 27. 3; 28. 11; 29. 54; 30. -1, 0, 2, 3; 31. ; 32. .
Тема №8.
Показательные неравенства.
1º. Неравенство, содержащее переменную в показателе степени, называется показательным неравенством.
2º. Решение показательных неравенств вида основано на следующих утверждениях:
если , то неравенство равносильно ;
если , то неравенство равносильно .
При решении показательных неравенств используют те же приемы, что и при решении показательных уравнений.
Пример 26. Решить неравенство 
(методом перехода к одному основанию
).
Решение: Так как 
, то заданное неравенство можно записать в виде: 
. Так как , то данное неравенство равносильно неравенству 
.
Решив последнее неравенство, получим .
Пример 27. Решить неравенство: (методом вынесения общего множителя за скобки ).
Решение: Вынесем за скобки в левой части неравенства , в правой части неравенства и разделим обе части неравенства на (-2), поменяв знак неравенства на противоположный:
Так как , то при переходе к неравенству показателей знак неравенства опять меняется на противоположный. Получаем . Таким образом, множество всех решений данного неравенства есть интервал .
Пример 28. Решить неравенство (методом введения новой переменной ).
Решение: Пусть . Тогда данное неравенство примет вид: 
или 
, решением которого является интервал .
Отсюда . Поскольку функция возрастает, то .
Дидактический материал.
Укажите множество решений неравенства:
1. ; 2. ; 3. ;
6. При каких значениях x точки графика функции лежат ниже прямой ?
7. При каких значениях x точки графика функции лежат не ниже прямой ?
Решите неравенство:
8. 
; 9. 
; 10. ;
13. Укажите наибольшее целое решение неравенства 
.
14. Найдите произведение наибольшего целого и наименьшего целого решений неравенства 
.
Решите неравенство:
15. ; 16. 
; 17. 
;
18. 
; 19. ; 20. ;
21. 
; 22. 
; 23. 
;
24. 
; 25. 
; 26. 
.
Найдите область определения функции:
27. 
; 28. 
.
29. Найдите множество значений аргумента, при которых значения каждой из функций больше 3:
и 
.
Ответы: 11. 3; 12. 3; 13. -3; 14. 1; 15. (0; 0,5); 16. ; 17. (-1; 0)U(3; 4); 18. [-2; 2]; 19. (0; +∞); 20. (0; 1); 21. (3; +∞); 22. (-∞; 0)U(0,5; +∞); 23. (0; 1); 24. (-1; 1); 25. (0; 2]; 26. (3; 3,5)U (4; +∞); 27. (-∞; 3)U{5}; 28. {a}=a^{\frac{1}{n}}\) получим, что \(\sqrt{3^3}=({3^3})^{\frac{1}{2}}\). Далее, используя свойство степени \((a^b)^c=a^{bc}\), получаем \({(3^3)}^{\frac{1}{2}}=3^{3 \cdot \frac{1}{2}}=3^{\frac{3}{2}}\).
\(3^{\frac{3}{2}}\cdot 3^{x-1}=(\frac{1}{3})^{2x}\)
Также мы знаем, что \(a^b·a^c=a^{b+c}\). Применив это к левой части, получим: \(3^{\frac{3}{2}}·3^{x-1}=3^{\frac{3}{2}+ x-1}=3^{1,5 + x-1}=3^{x+0,5}\).
\(3^{x+0,5}=(\frac{1}{3})^{2x}\)
Теперь вспомним, что: \(a^{-n}=\frac{1}{a^n}\). Эту формулу можно использовать и в обратную сторону: \(\frac{1}{a^n} =a^{-n}\). Тогда \(\frac{1}{3}=\frac{1}{3^1} =3^{-1}\).
\(3^{x+0,5}=(3^{-1})^{2x}\)
Применив свойство \((a^b)^c=a^{bc}\) к правой части, получим: \((3^{-1})^{2x}=3^{(-1)·2x}=3^{-2x}\).
\(3^{x+0,5}=3^{-2x}\)
И вот теперь у нас основания равны и нет никаких мешающих коэффициентов и т.д. Значит, можем делать переход.
Пример
. Решить показательное уравнение \(4^{x+0,5}-5·2^x+2=0\)
Решение:
|
\(4^{x+0,5}-5·2^x+2=0\) |
Вновь пользуемся свойством степени \(a^b \cdot a^c=a^{b+c}\) в обратном направлении. |
|
|
\(4^x·4^{0,5}-5·2^x+2=0\) |
Теперь вспоминаем, что \(4=2^2\). |
|
|
\((2^2)^x·(2^2)^{0,5}-5·2^x+2=0\) |
Используя свойства степени, преобразовываем: |
|
|
\(2·(2^x)^2-5·2^x+2=0\) |
Смотрим внимательно на уравнение, и видим, что тут напрашивается замена \(t=2^x\). |
|
|
\(t_1=2\) \(t_2=\frac{1}{2}\) |
Однако мы нашли значения \(t\), а нам нужны \(x\). Возвращаемся к иксам, делая обратную замену. |
|
|
\(2^x=2\) \(2^x=\frac{1}{2}\) |
Преобразовываем второе уравнение, используя свойство отрицательной степени… |
|
|
\(2^x=2^1\) \(2^x=2^{-1}\) |
…и дорешиваем до ответа. |
|
|
\(x_1=1\) \(x_2=-1\) |
Ответ : \(-1; 1\).
Остается вопрос - как понять, когда какой метод применять? Это приходит с опытом. А пока вы его не наработали, пользуйтесь общей рекомендацией для решения сложных задач – «не знаешь, что делать – делай, что можешь». То есть, ищите как вы можете преобразовать уравнение в принципе, и пробуйте это делать – вдруг чего и выйдет? Главное при этом делать только математически обоснованные преобразования.
Показательные уравнения, не имеющие решений
Разберем еще две ситуации, которые часто ставят в тупик учеников:
- положительное число в степени равно нулю, например, \(2^x=0\);
- положительное число в степени равно отрицательному числу, например, \(2^x=-4\).
Давайте попробуем решить перебором. Если икс - положительное число, то с ростом икса вся степень \(2^x\) будет только расти:
\(x=1\); \(2^1=2\)
\(x=2\); \(2^2=4\)
\(x=3\); \(2^3=8\).
\(x=0\); \(2^0=1\)
Тоже мимо. Остаются отрицательные иксы. Вспомнив свойство \(a^{-n}=\frac{1}{a^n}\), проверяем:
\(x=-1\); \(2^{-1}=\frac{1}{2^1} =\frac{1}{2}\)
\(x=-2\); \(2^{-2}=\frac{1}{2^2} =\frac{1}{4}\)
\(x=-3\); \(2^{-3}=\frac{1}{2^3} =\frac{1}{8}\)
Несмотря на то, что число с каждым шагом становится меньше, до нуля оно не дойдет никогда. Так что и отрицательная степень нас не спасла. Приходим к логичному выводу:
Положительное число в любой степени останется положительным числом.
Таким образом, оба уравнения выше не имеют решений.
Показательные уравнения с разными основаниями
В практике порой встречаются показательные уравнения с разными основаниями, не сводимыми к друг к другу, и при этом с одинаковыми показателями степени. Выглядят они так: \(a^{f(x)}=b^{f(x)}\), где \(a\) и \(b\) – положительные числа.
Например:
\(7^{x}=11^{x}\)
\(5^{x+2}=3^{x+2}\)
\(15^{2x-1}=(\frac{1}{7})^{2x-1}\)
Такие уравнения легко можно решить делением на любую из частей уравнения (обычно делят на правую часть, то есть на \(b^{f(x)}\). Так делить можно, потому что положительное число в любой степени положительно (то есть, мы не делим на ноль). Получаем:
\(\frac{a^{f(x)}}{b^{f(x)}}\) \(=1\)
Пример
. Решить показательное уравнение \(5^{x+7}=3^{x+7}\)
Решение:
|
\(5^{x+7}=3^{x+7}\) |
Здесь у нас не получиться ни пятерку превратить в тройку, ни наоборот (по крайней мере, без использования ). А значит мы не можем прийти к виду \(a^{f(x)}=a^{g(x)}\). При этом показатели одинаковы. |
|
|
\(\frac{5^{x+7}}{3^{x+7}}\) \(=\)\(\frac{3^{x+7}}{3^{x+7}}\) |
Теперь вспоминаем свойство \((\frac{a}{b})^c=\frac{a^c}{b^c}\) и используем его слева в обратном направлении. Справа же просто сокращаем дробь. |
|
|
\((\frac{5}{3})^{x+7}\) \(=1\) |
Казалось бы, лучше не стало. Но вспомните еще одно свойство степени: \(a^0=1\), иначе говоря: «любое число в нулевой степени равно \(1\)». Верно и обратное: «единица может быть представлена как любое число в нулевой степени». Используем это, делая основание справа таким же как слева. |
|
|
\((\frac{5}{3})^{x+7}\) \(=\) \((\frac{5}{3})^0\) |
Вуаля! Избавляемся от оснований. |
|
|
Пишем ответ. |
Ответ : \(-7\).
Иногда «одинаковость» показателей степени не очевидна, но умелое использование свойств степени решает этот вопрос.
Пример
. Решить показательное уравнение \(7^{ 2x-4}=(\frac{1}{3})^{-x+2}\)
Решение:
|
\(7^{ 2x-4}=(\frac{1}{3})^{-x+2}\) |
Уравнение выглядит совсем печально… Мало того, что основания нельзя свести к одинаковому числу (семерка ни в какой степени не будет равна \(\frac{1}{3}\)), так еще и показатели разные… Однако давайте в показателе левой степени двойку. |
|
|
\(7^{ 2(x-2)}=(\frac{1}{3})^{-x+2}\) |
Помня свойство \((a^b)^c=a^{b·c}\) , преобразовываем слева: |
|
|
\(49^{x-2}=(\frac{1}{3})^{-x+2}\) |
Теперь, вспоминая свойство отрицательной степени \(a^{-n}=\frac{1}{a}^n\), преобразовываем справа: \((\frac{1}{3})^{-x+2}=(3^{-1})^{-x+2}=3^{-1(-x+2)}=3^{x-2}\) |
|
|
\(49^{x-2}=3^{x-2}\) |
Аллилуйя! Показатели стали одинаковы! |
Ответ : \(2\).