M01 · 第 4 章 · 第二编 函数与变换

指数函数、对数函数与复合函数

在明确底数、定义域和值域的前提下建立实指数函数与对数函数,推导对数恒等式、换底公式,并用复合函数处理方程和尺度变换。

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预备知识函数、变换与图像多项式与根

本章目标

  1. 说明实指数函数要求底数满足 a>0 且 a≠1,并写出指数函数与对数函数各自的定义域和值域。
  2. 在正数条件下推导对数的积、商、幂恒等式与换底公式。
  3. 从内层到外层筛选复合函数定义域,并核验反函数复合恒等式的适用范围。
  4. 用同底化、代换和对数变换求解指数方程与对数方程,同时排除不满足原定义域的根。
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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 aa 与正整数 nnana^nnnaa 的乘积。若还要求 ar+s=arasa^{r+s}=a^r a^s 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>0a>0,规定

a0=1,an=1an,am/n=amn(mZ, nN+).a^0=1,\qquad a^{-n}=\frac{1}{a^n},\qquad a^{m/n}=\sqrt[n]{a^m} \quad(m\in\mathbb Z,\ n\in\mathbb N^+).

正底数保证任意正整数 nn 对应的正 nn 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 axa^x 可由有理指数的连续延拓建立;延拓后保留

ax+y=axay,(ax)y=axy,axy=axay,a^{x+y}=a^x a^y,\qquad (a^x)^y=a^{xy},\qquad a^{x-y}=\frac{a^x}{a^y},

其中 x,yRx,y\in\mathbb 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(-2)^{1/2} 不是实数,而 (2)1/3(-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,a1.a>0,\qquad a\ne1.

a=1a=11x1^x 恒为 11,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=0a=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>0a>0a1a\ne1。指数函数

Ea:R(0,),Ea(x)=axE_a:\mathbb R\to(0,\infty),\qquad E_a(x)=a^x

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)(0,1)

底数决定增长方向

a>1a>1 时,EaE_a 严格递增。若 v>uv>u,则 vu>0v-u>0,并且

avau=avu>1,\frac{a^v}{a^u}=a^{v-u}>1,

所以 av>aua^v>a^u。当 0<a<10<a<1 时,可写成 a=1/ba=1/b,其中 b>1b>1;于是 ax=bxa^x=b^{-x}xx 增大等价于 x-x 减小,函数严格递减。两种情形都保持一一性,并把 R\mathbb R 映满 (0,)(0,\infty)

指数模型常写成

Q(t)=Q0at/T,Q(t)=Q_0a^{t/T},

其中 Q0>0Q_0>0 是初值,T>0T>0 是时间尺度,ttTT 必须使用相同单位。若 a=2a=2,每经过一个 TT,数量乘以 22;若 a=1/2a=1/2,每经过一个 TT,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 EaE_a 是从 R\mathbb R(0,)(0,\infty) 的双射,因此存在反函数。对 x>0x>0

y=logaxay=x.y=\log_a x \quad\Longleftrightarrow\quad a^y=x.
实对数函数

固定 a>0a>0a1a\ne1。对数函数

La:(0,)R,La(x)=logaxL_a:(0,\infty)\to\mathbb R,\qquad L_a(x)=\log_a x

EaE_a 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\log_a1=0logaa=1\log_a a=1

反函数恒等式带有各自的输入范围:

loga(ax)=x(xR),\log_a(a^x)=x\quad(x\in\mathbb R),

alogax=x(x>0).a^{\log_a x}=x\quad(x>0).

后一式不能把 x=0x=0 或负数代入。单调方向也由反函数继承:a>1a>1logax\log_a x 严格递增;0<a<10<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

x>0x>0y>0y>0。令 r=logaxr=\log_a xs=logays=\log_a y,则 x=arx=a^ry=asy=a^s。指数律给出

xy=ar+s,xy=a^{r+s},

对两侧取以 aa 为底的对数,得到

loga(xy)=logax+logay.\log_a(xy)=\log_a x+\log_a y.

同样的方法得到

loga ⁣(xy)=logaxlogay,\log_a\!\left(\frac{x}{y}\right) =\log_a x-\log_a y,

以及对 λR\lambda\in\mathbb R

loga(xλ)=λlogax.\log_a(x^\lambda)=\lambda\log_a x.

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>0xy>0 代替 x>0x>0y>0y>0:当 x=2,y=3x=-2,y=-3 时,xy=6xy=6 使左侧 loga6\log_a6 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>0b>0b1b\ne1,对 x>0x>0u=logaxu=\log_a x,则 au=xa^u=x。两侧取以 bb 为底的对数:

ulogba=logbx.u\log_b a=\log_b x.

因为 a1a\ne1,所以 logba0\log_ba\ne0,于是

logax=logbxlogba.\log_a x=\frac{\log_bx}{\log_ba}.

常用的自然对数 lnx\ln x 以常数 ee 为底,常用对数通常以 1010 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)\log_a(x+y) 一般不等于 logax+logay\log_ax+\log_ay。对数积公式来自 ar+s=arasa^{r+s}=a^ra^s,对应的是乘法,不是普通加法。例如以 1010 为底,log10(1+1)=log102\log_{10}(1+1)=\log_{10}2,而 log101+log101=0\log_{10}1+\log_{10}1=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 ⁣(3xx1),h(x)=\ln\!\left(\frac{\sqrt{3-x}}{x-1}\right),

平方根先要求 3x03-x\ge0。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<3x<3。此时分子为正,分式为正又要求 x1>0x-1>0。两组条件相交,定义域是

1<x<3.1<x<3.

仅分别写出“根号内非负”和“分母不为零”会错误保留 x=3x=3x<1x<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

4x52x+4=0.4^x-5\cdot2^x+4=0.

因为 4x=(2x)24^x=(2^x)^2,令 u=2xu=2^x。指数函数的值域说明 u>0u>0。原方程化为

u25u+4=(u1)(u4)=0.u^2-5u+4=(u-1)(u-4)=0.

所以 u=1u=1u=4u=4。分别解 2x=12^x=12x=42^x=4,得到

x=0x=2.x=0\quad\text{或}\quad x=2.

回代原式:15+4=01-5+4=01620+4=016-20+4=0,两根都成立。代换时保留 u>0u>0 很重要;若二次方程产生非正根,它不能还原成 2x2^x

例 2:合并对数后排除增根

求解

log2(x1)+log2(x3)=3.\log_2(x-1)+\log_2(x-3)=3.

原式要求 x1>0x-1>0x3>0x-3>0,即 x>3x>3。在这个定义域内可使用积公式:

log2((x1)(x3))=3,\log_2\bigl((x-1)(x-3)\bigr)=3,

所以

(x1)(x3)=23=8.(x-1)(x-3)=2^3=8.

展开得到 x24x5=0x^2-4x-5=0,候选根为 x=5x=5x=1x=-1。只有 x=5x=5 满足 x>3x>3。回代时 log24+log22=2+1=3\log_24+\log_22=2+1=3,故解集为 {5}\{5\}。根 1-1 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/TQ(t)=Q_0a^{t/T},其中 Q0=80 mgQ_0=80\ \mathrm{mg}T=6 hT=6\ \mathrm{h},并测得 Q(6 h)=40 mgQ(6\ \mathrm{h})=40\ \mathrm{mg}。代入 t=Tt=T

40=80a,40=80a,

所以 a=1/2a=1/2。模型为

Q(t)=80(12)t/(6 h) mg.Q(t)=80\left(\frac12\right)^{t/(6\ \mathrm h)}\ \mathrm{mg}.

求数量降到 10 mg10\ \mathrm{mg} 的时刻:

1080=(12)t/(6 h)=18=(12)3,\frac{10}{80}=\left(\frac12\right)^{t/(6\ \mathrm h)}=\frac18 =\left(\frac12\right)^3,

t=18 ht=18\ \mathrm h。指数 t/(6 h)t/(6\ \mathrm 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,q2q_1,q_2,对数差记录比值:

logaq2logaq1=loga ⁣(q2q1).\log_a q_2-\log_a q_1 =\log_a\!\left(\frac{q_2}{q_1}\right).

因此同一倍数变化在对数坐标中对应同一段位移。例如从 22 增至 88 与从 55 增至 2020 都是乘以 44;以 22 为底时,两次变化的对数增量都为 22。普通坐标记录绝对差,分别是 661515,两种坐标回答的问题不同。

若正值模型为

y=Cax,C>0,y=C a^x,\qquad C>0,

取以 bb 为底的对数得到

logby=logbC+xlogba.\log_b y=\log_b C+x\log_b a.

指数关系因而在半对数坐标中表现为直线,斜率是 logba\log_ba,截距是 logbC\log_bC。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 yy 带单位,应先选同单位参考量 y0>0y_0>0,写成无量纲比值

loga ⁣(yy0).\log_a\!\left(\frac{y}{y_0}\right).

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=ava^u=a^v,且 a>0,a1a>0,a\ne1,则 u=vu=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=73^x=7 给出 x=ln7/ln3x=\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

0<a<10<a<1 时,axa^xlogax\log_ax 都严格递减。因此 au<ava^u<a^v 等价于 u>vu>v,而不是 u<vu<v。求指数不等式前应先判断底数位于 (0,1)(0,1) 还是 (1,)(1,\infty)

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 272/3/91/227^{2/3}/9^{1/2},并说明正底数条件在根式解释中的作用。

查看解答

271/3=327^{1/3}=3,所以 272/3=32=927^{2/3}=3^2=991/2=39^{1/2}=3 取正平方根。因此结果为 9/3=39/3=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 ⁣(2xx+1)f(x)=\log_3\!\left(\frac{2-x}{x+1}\right)

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=2x=2 与分母为零的 x=1x=-1。在区间 (,1)(-\infty,-1)(1,2)(-1,2)(2,)(2,\infty) 上检查符号,只有 (1,2)(-1,2) 内分子、分母同为正。因此定义域为 (1,2)(-1,2);两个端点都不能取。

练习

求解 22x+192x+4=02^{2x+1}-9\cdot2^x+4=0

查看解答

u=2x>0u=2^x>0,则 22x+1=2u22^{2x+1}=2u^2。方程变为

2u29u+4=(2u1)(u4)=0.2u^2-9u+4=(2u-1)(u-4)=0.

2x=1/22^x=1/22x=42^x=4,得到 x=1x=-1x=2x=2。回代原式分别得到 1/29/2+4=01/2-9/2+4=03236+4=032-36+4=0,两根都成立。

练习

在实数范围内求解 log10x+log10(x9)=1\log_{10}x+\log_{10}(x-9)=1

查看解答

定义域要求 x>9x>9。合并对数后得到 x(x9)=10x(x-9)=10,即

x29x10=(x10)(x+1)=0.x^2-9x-10=(x-10)(x+1)=0.

候选根为 10101-1,只有 1010 在定义域内。核验: log1010+log101=1+0=1\log_{10}10+\log_{10}1=1+0=1

练习

有人把 loga(xy)=logax+logay\log_a(xy)=\log_ax+\log_ay 的条件简化为 xy>0xy>0。取 x=2,y=3x=-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>0xy=6>0,所以左侧 loga6\log_a6 有定义;但 loga(2)\log_a(-2)loga(3)\log_a(-3) 都没有实数意义,右侧未定义。正确条件是 a>0a>0a1a\ne1,并且 x>0x>0y>0y>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 exe^xlnx\ln x 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 · 2021

Precalculus 2e

Jay Abramson

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。

打开官方来源

《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 · 2021

Algebra and Trigonometry 2e

Jay Abramson

用于逐项复核 M01 的代数规则、图像性质、参数问题与完整例题。

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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。