40
Показательные уравнения
Темой этой статьи является уравнение, содержащие неизвестное в показатель степени. Такие уравнения часто встречаются наступательных экзаменах, и поэтому абитриенту полезно познакомиться с неокоторыми методами их решения.
Простейшее показательное уравнение — это уравнение вида , где . При это уравнение имеет единственный корень , при уравнение корней не имеет.
В ходе преобразованияный показательных уравнения часто используются свойства показательной функции (см. пособие «Алгебра и начала анализа 10», п. 108): (здесь ).
Если исходное уравнение имеет вид
(1)
где — неокторая функция, то для его решения можно положить , решить уравнение , выбрать его положительные корни и затем решить получившее простейшее уравнение.
Задача 1 (МИИГАиК, 1978). Решить уравнение
Решение. Положив , получим уравнение или . Полученное квадратное уравнение имеет корни
Первый из них нас неSTRAИВАЕТ (). Поэтому , откуда .
Ответ. {2}.
В некоторых случаях уравнение, не имеющее вид (1), удается преобразовать к такому виду, пользоваться свойством показательной функции.
Задача 2 (МИИ, 1976). Решить уравнение
Решение. После очевидных преобразований получим:
Так как , полученное уравнение равносильно уравнению
Полягая , приходим к квадратному уравнению . Его корни .
Решая простейшее уравнение и , получаем в первом случае , а в втором ; то есть или .
Ответ. {0, 1/2}.
Рассмотрим теперь несколько примеров, в которых в показатель степени оказываются неокторыные функции от .
Задача 3 (МИИГАиК, 1970). Решить уравнение
Решение. Положим , после чего уравнение перештется так:
Роздельныйравую и левую части на , приdem к уравнению
Решая это уравнение, как предыдущей, получаем , откуда
41
Ответ. {1, -4}.
Иногда после преобразования исходное уравнение приводится к виду
Для решения этого уравнения полезно заметить, что оно равносильно уравнению
(мы воспользовались основным логарифмическим теоретическим аlogab = b). Из монotonности показательной функции следует, что уравнение (2) равносильно уравнению
Задача 4. Решить уравнение
Решение. Переходим к равносильному уравнению
Полученное уравнение, конечно, можно решить обычным способом (это — квадратное уравнение). Но решать его довольно непряятно, поскольку у него «противные» коэффициенты.
Однако, если заметить, что , решение значительное упрощается.
Имеем , откуда либо , либо или
Ответ. {3, 4 + \log_5 3}.
Разберем еще один пример.
Задача 5 (МИЭТ, 1978). Решить уравнение
, поэтому уравнение переписывается так:
и, следовательно, равносильно уравнению
которое приводится к уравнению
имеющей корень .
Ответ. {10}.
Иногда встречится уравнение, содержащие неизвестное и в основании, и в показатель степени. Прежде чем переходит к рассмотрению конкретных задач, сделаем некоторые замечания об области определения функций вида .
Obviously, когда на экзамене предлагается задача, в которой функция вида , предполагают, что абитриенты будут ее рассматривать при таких значениях , для которых выполнен одно из условий: либо , либо и .
Так, является корнем уравнения . При это уравнение, очевидно, корней не имеет (левая часть его положительного, а правая отрицательна). При основание степени отрицательно и поэтому такие рассматривать не следует, хотя и можно заметить, что непосредственная подстановка в уравнение дает верное равенство и потому число 2 также является его корнем.
Абитриенты, не заменющие этого и вообще не рассматривающие случая , не допускают никакой ошибки и ответ в этой задаче следует считать правильным.
Приятое соглашение связано с тем, что вопрос о смысле выражения при и действительном , не являющегося целым числом, является очень сложным и не может быть решен в рамках курса средней шкалы.
Задача 6. Решить уравнение
Решение. Расматриваем только . Так как при функция, стоящая влевой части, определяна и равна нулю и правая часть равна нулю, 0 является корнем этого уравнения. Легко видеть, что при данное уравнение равносильно уравнению , откуда либо , то есть , либо , то есть и .
42
Ответ. {0, 1, 2, 3}.
В заключение этого раздела рассмотрим две задачи, решить которые помогает свойство монотности показатель функции.
Задача 7. Решить уравнение
Решение. Эта задача не принадлежит ни к одному из ранее рассмотренных типов. Все-tаки по-proбуем сделать замену . Получим
Решим теперь полученное уравнение как квадратное относительно . Имеем
откуда либо , либо .
Уравнение имеет корень .
Решим теперь уравнение
Легко угадать корень . Докажем, что других корней у этого уравнения нет. В самом деле, при левая часть равна правой. Левая часть — возрастоящая функция, а правая — убывающая. Поэтому при левая часть будет меньше правой, а при , наоборот, правая часть больше левой.
Ответ. {1, }.
Задача 8. Решить уравнение
Решение. Попытки найти корень этого уравнения обичными методами здесь ничего не дают. В то же время нетрудно заметить, что уравнение удовлетворяет значению . Докажем, что других корней нет. Для этого перешем уравнение так:
Правая часть является убывающей