指数律延伸到实指数的条件
正整数指数先表示重复相乘:对实数 a 与正整数 n,
an 是 n 个 a 的乘积。若还要求
ar+s=aras 对更广的指数成立,就必须相应定义零指数、负整数指数和有理指数。对 a>0,规定
a0=1,a−n=an1,am/n=nam(m∈Z, n∈N+).
正底数保证任意正整数 n 对应的正 n 次根唯一存在,也避免偶次根在实数范围内失去意义。实指数 ax 可由有理指数的连续延拓建立;延拓后保留
ax+y=axay,(ax)y=axy,ax−y=ayax,
其中 x,y∈R。第三式的分母总是正数。负底数虽然对某些整数或有理指数有定义,却不能在全部实数上给出连续的实值幂函数。例如 (−2)1/2 不是实数,而 (−2)1/3 是实数;定义域会随指数写法改变。因此本章始终取
a>0,a=1.
a=1 时 1x 恒为 1,仍能形成常函数,但它没有覆盖正实数的反函数,不能作为对数的底。a=0 在负指数处出现除零,也不构成定义在整个实数域上的指数函数。
实指数函数
固定底数 a>0 且 a=1。指数函数
Ea:R→(0,∞),Ea(x)=ax 的定义域是全体实数,值域是正实数。函数值永远为正,图像经过 (0,1)。
底数决定增长方向
当 a>1 时,Ea 严格递增。若 v>u,则 v−u>0,并且
auav=av−u>1,
所以 av>au。当 0<a<1 时,可写成 a=1/b,其中 b>1;于是 ax=b−x,x 增大等价于 −x 减小,函数严格递减。两种情形都保持一一性,并把 R 映满 (0,∞)。
指数模型常写成
Q(t)=Q0at/T,
其中 Q0>0 是初值,T>0 是时间尺度,t 与 T 必须使用相同单位。若 a=2,每经过一个 T,数量乘以 2;若 a=1/2,每经过一个 T,数量减半。公式给出的是恒定比例模型,不能自动说明真实系统在任意长时间内都保持同一增长率。
对数由反函数定义
指数函数 Ea 是从 R 到 (0,∞) 的双射,因此存在反函数。对 x>0,
y=logax⟺ay=x.
实对数函数
固定 a>0 且 a=1。对数函数
La:(0,∞)→R,La(x)=logax 是 Ea 的反函数。它的定义域是正实数,值域是全体实数,并满足
loga1=0、logaa=1。
反函数恒等式带有各自的输入范围:
loga(ax)=x(x∈R),
而
alogax=x(x>0).
后一式不能把 x=0 或负数代入。单调方向也由反函数继承:a>1 时 logax 严格递增;0<a<1 时严格递减。对数把乘法尺度转成加法尺度,这一性质来自指数律,而不是独立记忆规则。
对数恒等式及其定义域
设 x>0、y>0。令 r=logax、s=logay,则 x=ar、y=as。指数律给出
xy=ar+s,
对两侧取以 a 为底的对数,得到
loga(xy)=logax+logay.
同样的方法得到
loga(yx)=logax−logay,
以及对 λ∈R,
loga(xλ)=λlogax.
这些等式在实对数中要求每个出现对数的真数均为正。积公式尤其不能仅以 xy>0 代替 x>0 且 y>0:当 x=−2,y=−3 时,xy=6 使左侧 loga6 有定义,但右侧两项都没有实数意义。
换底公式也能从反函数关系推出。另取 b>0 且 b=1,对 x>0 设 u=logax,则 au=x。两侧取以 b 为底的对数:
ulogba=logbx.
因为 a=1,所以 logba=0,于是
logax=logbalogbx.
常用的自然对数 lnx 以常数 e 为底,常用对数通常以 10 为底。换底只改变数值表示,不改变真数必须为正的条件。
把对数分配到加法
loga(x+y) 一般不等于 logax+logay。对数积公式来自 ar+s=aras,对应的是乘法,不是普通加法。例如以 10 为底,log10(1+1)=log102,而 log101+log101=0。
复合函数的输入筛选
复合表达式的定义域要从最内层开始检查,再把中间输出送入下一层。若
h(x)=ln(x−13−x),
平方根先要求 3−x≥0。外层对数还要求整个真数严格为正;因此分子不能为零,得到 x<3。此时分子为正,分式为正又要求 x−1>0。两组条件相交,定义域是
仅分别写出“根号内非负”和“分母不为零”会错误保留 x=3 或 x<1。复合函数的每一层都可能把上一层允许的边界点排除。
例 1:用正变量代换求指数方程
求解
4x−5⋅2x+4=0. 因为 4x=(2x)2,令 u=2x。指数函数的值域说明 u>0。原方程化为
u2−5u+4=(u−1)(u−4)=0. 所以 u=1 或 u=4。分别解 2x=1 与 2x=4,得到
x=0或x=2. 回代原式:1−5+4=0,16−20+4=0,两根都成立。代换时保留 u>0 很重要;若二次方程产生非正根,它不能还原成 2x。
例 2:合并对数后排除增根
求解
log2(x−1)+log2(x−3)=3. 原式要求 x−1>0 且 x−3>0,即 x>3。在这个定义域内可使用积公式:
log2((x−1)(x−3))=3, 所以
(x−1)(x−3)=23=8. 展开得到 x2−4x−5=0,候选根为 x=5 与 x=−1。只有 x=5 满足 x>3。回代时
log24+log22=2+1=3,故解集为 {5}。根 −1 是代数方程的根,却不是原对数方程的根。
例 3:由两个观测值确定指数尺度
某个理想化衰减模型满足 Q(t)=Q0at/T,其中 Q0=80 mg、T=6 h,并测得 Q(6 h)=40 mg。代入 t=T 得
所以 a=1/2。模型为
Q(t)=80(21)t/(6 h) mg. 求数量降到 10 mg 的时刻:
8010=(21)t/(6 h)=81=(21)3, 故 t=18 h。指数 t/(6 h) 无量纲,结果也与连续经过三个半衰期的解释一致。该计算只描述给定模型,不构成对真实材料衰减规律的额外断言。
对数坐标表达相对变化
对正数 q1,q2,对数差记录比值:
logaq2−logaq1=loga(q1q2).
因此同一倍数变化在对数坐标中对应同一段位移。例如从 2 增至 8 与从 5 增至 20 都是乘以 4;以 2 为底时,两次变化的对数增量都为 2。普通坐标记录绝对差,分别是 6 与 15,两种坐标回答的问题不同。
若正值模型为
y=Cax,C>0,
取以 b 为底的对数得到
logby=logbC+xlogba.
指数关系因而在半对数坐标中表现为直线,斜率是 logba,截距是
logbC。反向判断仍需谨慎:有限数据点在半对数图上近似共线,只说明指数模型可能适合该区间,并不证明生成机制必然是指数过程。
带单位的物理量不能直接当作纯数塞入对数。若 y 带单位,应先选同单位参考量 y0>0,写成无量纲比值
loga(y0y).
更换参考量会平移对数坐标的零点,却不会改变两个观测值之间的对数差。这个处理同时保留了量纲一致性与相对尺度信息。
方程方法的适用边界
同底指数方程利用指数函数的单射性:若 au=av,且 a>0,a=1,则 u=v。不同底数不能同底化时,可在两侧均为正的前提下取对数。例如 3x=7 给出 x=ln7/ln3。对数变换不会改变正数等式,但若原式一侧可能非正,就必须先分情况,不能直接取对数。
对数方程常先确定真数条件,再用恒等式化简,最后把候选根代回原式。平方、通分或合并对数都可能生成落在定义域外的根。图像交点能辅助估计根的位置;完整结论仍需说明单调性、代数等价步骤或其他能够排除遗漏的依据。
忽略底数小于一时的不等号方向
当 0<a<1 时,ax 与 logax 都严格递减。因此
au<av 等价于 u>v,而不是 u<v。求指数不等式前应先判断底数位于 (0,1) 还是 (1,∞)。
把模型的外推当成观测事实
指数式能精确描述恒定相对变化率的数学模型。人口、药物浓度或资金在真实情境中可能受到资源、测量误差、分段规则和制度条件影响;超出标定区间的数值属于模型外推,需要另行验证。
指数与对数练习
练习
计算 272/3/91/2,并说明正底数条件在根式解释中的作用。
查看解答
271/3=3,所以 272/3=32=9;91/2=3 取正平方根。因此结果为 9/3=3。正底数使这里使用的实数正根唯一,并与连续的实指数函数定义一致。
练习
求函数
f(x)=log3(x+12−x) 的实数定义域。
查看解答
真数必须严格为正。临界点是分子为零的 x=2 与分母为零的 x=−1。在区间 (−∞,−1)、(−1,2)、(2,∞) 上检查符号,只有 (−1,2) 内分子、分母同为正。因此定义域为 (−1,2);两个端点都不能取。
练习
求解 22x+1−9⋅2x+4=0。
查看解答
令 u=2x>0,则 22x+1=2u2。方程变为
2u2−9u+4=(2u−1)(u−4)=0. 故 2x=1/2 或 2x=4,得到 x=−1 或 x=2。回代原式分别得到 1/2−9/2+4=0 与 32−36+4=0,两根都成立。
练习
在实数范围内求解 log10x+log10(x−9)=1。
查看解答
定义域要求 x>9。合并对数后得到
x(x−9)=10,即
x2−9x−10=(x−10)(x+1)=0. 候选根为 10 与 −1,只有 10 在定义域内。核验:
log1010+log101=1+0=1。
练习
有人把 loga(xy)=logax+logay 的条件简化为 xy>0。取 x=−2,y=−3 检查该说法,并写出实对数积公式的正确条件。
查看解答
此时 xy=6>0,所以左侧 loga6 有定义;但 loga(−2) 与 loga(−3) 都没有实数意义,右侧未定义。正确条件是 a>0、a=1,并且 x>0、y>0。这些条件保证等式两侧的每个对数都存在。
与后续函数分析的连接
- 函数与图像
提供复合、反函数和单调性的语言;指数与对数是这套结构的一对基本双射。
- 极限与连续 将严格说明实指数的连续性,并研究
ex 与 lnx 的局部变化。
- 数列与级数
比较指数增长、幂增长和几何级数的收敛行为。
这三条连接对应三个不同任务:函数语言负责确认对象和定义域,极限工具负责证明连续变化与局部性质,数列方法负责离散时刻上的增长比较。遇到复利、衰减或尺度数据时,应先判断变量是连续还是离散,再选择函数或数列模型;同一组符号并不会自动保证两类模型的假设相同。
教材资源与复算建议
书籍 · 2021Precalculus 2e
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用于核对 M01 的定义域、函数变换、方程求解、圆锥曲线与分步练习。
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《Precalculus 2e》按函数、指数函数、对数函数和方程的顺序组织相关内容。阅读外部例题时,应把底数条件、真数条件和候选根回代三项与本站推导逐一对照,尤其检查对数恒等式是否在变形前已经满足定义域。
书籍 · 2021Algebra and Trigonometry 2e
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《Algebra and Trigonometry 2e》提供指数模型、换底与指数—对数方程的成组练习。可先独立完成同底化、正变量代换和取对数三类题,再比较它们各自依赖的单射性与正数条件。下一步进入 坐标几何,函数表达式将与直线、抛物线、椭圆和双曲线的点集方程连接。