Примеры:
\(4^x=32\)
\(5^{2x-1}-5^{2x-3}=4,8\)
\((\sqrt{7})^{2x+2}-50\cdot(\sqrt{7})^{x}+7=0\)
\(a^{f(x)}=a^{g(x)}\) \(⇔\) \(f(x)=g(x)\)
Например: \(2^{x+1}=2^2\) \(⇔\) \(x+1=2\)
Важно! Из той же логики следуют два требования для такого перехода:
- число в
слева и справа должно быть одинаковым;
- степени слева и справа должны быть «чистыми»
, то есть не должно быть никаких , умножений, делений и т.д.
Например:
Для привидения уравнения к виду \(a^{f(x)}=a^{g(x)}\) применяются и .
Пример
. Решить показательное уравнение \(\sqrt{27}·3^{x-1}={(\frac{1}{3})}^{2x}\)
Решение:
|
\(\sqrt{27}·3^{x-1}={(\frac{1}{3})}^{2x}\) |
Мы знаем, что \(27 = 3^3\). С учетом этого преобразуем уравнение. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
\(\sqrt{3^3}·3^{x-1}={(\frac{1}{3})}^{2x}\) |
По свойству корня \(\sqrt[n]{a}=a^{\frac{1}{n}}\) 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 \(4^{x+0,5}-5·2^x+2=0\)
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 решенийРазберем еще две ситуации, которые часто ставят в тупик учеников: Давайте попробуем решить перебором. Если икс - положительное число, то с ростом икса вся степень \(2^x\) будет только расти: \(x=1\); \(2^1=2\) \(x=0\); \(2^0=1\) Тоже мимо. Остаются отрицательные иксы. Вспомнив свойство \(a^{-n}=\frac{1}{a^n}\), проверяем: \(x=-1\); \(2^{-1}=\frac{1}{2^1} =\frac{1}{2}\) 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 основаниямиВ 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: \(7^{x}=11^{x}\) 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 \(5^{x+7}=3^{x+7}\)
Ответ : \(-7\). Иногда «одинаковость» показателей степени не очевидна, но умелое использование свойств степени решает этот вопрос. Пример
. Решить показательное уравнение \(7^{ 2x-4}=(\frac{1}{3})^{-x+2}\)
Ответ : \(2\). |
В этой статье вы познакомитесь со всеми типами показательных уравнений и алгоритмами их решения, научитесь распознавать, к какому типу принадлежит показательное уравнение , которое вам надо решить, и применять для его решения соответствующий метод. Подробное решение примеров показательных уравнений каждого типа вы сможете посмотреть в соответствующих ВИДЕОУРОКАХ.
Показательным уравнением называется уравнение, в котором неизвестное содержится в показателе степени.
Прежде чем начать решать показательное уравнение, полезно сделать несколько предварительных действий , которые могут значительно облегчить ход его решения. Вот эти действия:
1. Разложите все основания степеней на простые множители.
2. Корни представьте в виде степени.
3. Десятичные дроби представьте в виде обыкновенных.
4. Смешанные числа запишите в виде неправильных дробей.
Пользу этих действий вы осознаете в процессе решения уравнений.
Рассмотрим основные типы показательных уравнений и алгоритмы их решения.
1. Уравнение вида
Это уравнение равносильно уравнению
Посмотрите в этом ВИДЕОУРОКЕ решение уравнения 
этого типа.
2. Уравнение вида
В уравнениях этого типа:
б) коэффициенты при неизвестном в показателе степени равны.
Чтобы решить это уравнение, нужно вынести за скобку множитель в наименьшей степени.
Пример решения уравнения этого типа:
посмотрите в ВИДЕОУРОКЕ.
3. Уравнение вида
Уравнения этого типа отличаются тем, что
а) все степени имеют одинаковые основания
б) коэффициенты при неизвестном в показателе степени разные.
Уравнения такого типа решаются с помощью замены переменных. Прежде чем вводить замену, желательно освободиться от свободных членов в показателе степени. (, , и т.д)
Посмотрите в ВИДЕОУРОКЕ решение уравнения этого типа:
4.
Однородные уравнения
вида
Отличительные признаки однородных уравнений:
а) все одночлены имеют одинаковую степень,
б) свободный член равен нулю,
в) в уравнении присутствуют степени с двумя различными основаниями.
Однородные уравнения решаются по сходному алгоритму.
Чтобы решить уравнение такого типа, разделим обе части уравнения на (можно разделить на или на )
Внимание! При делении правой и левой части уравнения на выражение, содержащее неизвестное, можно потерять корни. Поэтому необходимо проверить, не являются ли корни того выражения, на которое мы делим обе части уравнения, корнями исходного уравнения.
В нашем случае, поскольку выражение не равно нулю ни при каких значениях неизвестного, мы можем делить на него без опаски. Разделим левую часть уравнения на это выражение почленно. Получим:
Сократим числитель и знаменатель второй и третьей дроби:
Введем замену:
Причем title="t>0">при всех допустимых значениях неизвестного.
Получим квадратное уравнение:
Решим квадратное уравнение, найдем значения , которые удовлетворяют условию title="t>0">, а затем вернемся к исходному неизвестному.
Смотрите в ВИДЕОУРОКЕ подробное решение однородного уравнения:
При решении этого уравнения будем исходить из того, что title="f(x)>0">
Исходное равенство выполняется в двух случаях:
1. Если , поскольку 1 в любой степени равна 1,
2. При выполнении двух условий:
Title="delim{lbrace}{matrix{2}{1}{{f(x)>0} {g(x)=h(x)} {x-8y+9z=0}}}{ }">
Посмотрите в ВИДЕОУРОКЕ подробное решение уравнения
Показательные уравнения. Как известно — в состав ЕГЭ входят простые уравнения. Некоторые мы уже рассмотрели – это логарифмические, тригонометрические, рациональные. Здесь представлены показательные уравнения.
В недавней статье мы поработали с показательными выражениями, будет полезно. Сами уравнения решаются просто и быстро. Требуется лишь знать свойства показателей степени и... Об этом далее.
Перечислим свойства показателей степени:
Нулевая степень любого числа равна единице.
Следствие из данного свойства:
Ещё немного теории.
Показательным уравнением называется уравнение содержащее переменную в показателе, то есть это уравнение вида:
f (x ) выражение, которое содержит переменную
Методы решения показательных уравнений
1. В результате преобразований уравнение можно привести к виду:
Тогда применяем свойство:
2. При получении уравнения вида a f ( x ) = b используется определение логарифма, получим:
3. В результате преобразований можно получить уравнение вида:
Применяется логарифмирование:
Выражаем и находим х.
В задачах вариантов ЕГЭ достаточно будет использовать первый способ.
То есть, необходимо представить левую и правую части в виде степеней с одинаковым основанием, а далее приравниваем показатели и решаем обычное линейное уравнение.
Рассмотрим уравнения:
Найдите корень уравнения 4 1–2х = 64.
Необходимо сделать так, чтобы в левой и правой частях были показательные выражения с одним основанием. 64 мы можем представить как 4 в степени 3. Получим:
4 1–2х = 4 3
1 – 2х = 3
– 2х = 2
х = – 1
Проверка:
4 1–2 (–1) = 64
4 1 + 2 = 64
4 3 = 64
64 = 64
Ответ: –1
Найдите корень уравнения 3 х–18 = 1/9.
Известно, что
Значит 3 х-18 = 3 -2
Основания равны, можем приравнять показатели:
х – 18 = – 2
х = 16
Проверка:
3 16–18 = 1/9
3 –2 = 1/9
1/9 = 1/9
Ответ: 16
Найдите корень уравнения:
Представим дробь 1/64 как одну четвёртую в третьей степени:
2х – 19 = 3
2х = 22
х = 11
Проверка:
Ответ: 11
Найдите корень уравнения:
Представим 1/3 как 3 –1 , а 9 как 3 в квадрате, получим:
(3 –1) 8–2х = 3 2
3 –1∙(8–2х) = 3 2
3 –8+2х = 3 2
Теперь можем приравнять показатели:
– 8+2х = 2
2х = 10
х = 5
Проверка:
Ответ: 5
26654. Найдите корень уравнения:
Решение:
Ответ: 8,75
Действительно, в какую бы степень мы не возвели положительное число a, мы никак не можем получить число отрицательное.
Любое показательное уравнение после соответствующих преобразований сводится к решению одного или нескольких простейших. В данной рубрике мы ещё рассмотрим решение некоторых уравнений, не пропустите! На этом всё. Успеха вам!
С уважением, Александр Крутицких.
P.S: Буду благодарен Вам, если расскажете о сайте в социальных сетях.
Этот урок предназначен для тех, кто только начинает изучать показательные уравнения. Как всегда, начнём с определения и простейших примеров.
Если вы читаете этот урок, то я подозреваю, что вы уже имеете хотя бы минимальное представление о простейших уравнениях — линейных и квадратных: $56x-11=0$; ${{x}^{2}}+5x+4=0$; ${{x}^{2}}-12x+32=0$ и т.д. Уметь решать такие конструкции совершенно необходимо для того, чтобы не «зависнуть» в той теме, о которой сейчас пойдёт речь.
Итак, показательные уравнения. Сразу приведу парочку примеров:
\[{{2}^{x}}=4;\quad {{5}^{2x-3}}=\frac{1}{25};\quad {{9}^{x}}=-3\]
Какие-то из них могут показаться вам более сложными, какие-то — напротив, слишком простыми. Но всех их объединяет один важный признак: в их записи присутствует показательная функция $f\left(x \right)={{a}^{x}}$. Таким образом, введём определение:
Показательное уравнение — это любое уравнение, содержащее в себе показательную функцию, т.е. выражение вида ${{a}^{x}}$. Помимо указанной функции подобные уравнения могут содержать в себе любые другие алгебраические конструкции — многочлены, корни, тригонометрию, логарифмы и т.д.
Ну хорошо. С определением разобрались. Теперь вопрос: как всю эту хрень решать? Ответ одновременно и прост, и сложен.
Начнём с хорошей новости: по своему опыту занятий с множеством учеников могу сказать, что большинству из них показательные уравнения даются намного легче, чем те же логарифмы и уж тем более тригонометрия.
Но есть и плохая новость: иногда составителей задач для всевозможных учебников и экзаменов посещает «вдохновение», и их воспалённый наркотиками мозг начинает выдавать такие зверские уравнения, что решить их становится проблематично не только ученикам — даже многие учителя на таких задачах залипают.
Впрочем, не будем о грустном. И вернёмся к тем трём уравнениям, которые были приведены в самом начале повествования. Попробуем решить каждое из них.
Первое уравнение: ${{2}^{x}}=4$. Ну и в какую степень надо возвести число 2, чтобы получить число 4? Наверное, во вторую? Ведь ${{2}^{2}}=2\cdot 2=4$ — и мы получили верное числовое равенство, т.е. действительно $x=2$. Что ж, спасибо, кэп, но это уравнение было настолько простым, что его решил бы даже мой кот.:)
Посмотрим на следующее уравнение:
\[{{5}^{2x-3}}=\frac{1}{25}\]
А вот тут уже чуть сложнее. Многие ученики знают, что ${{5}^{2}}=25$ — это таблица умножения. Некоторые также подозревают, что ${{5}^{-1}}=\frac{1}{5}$ — это по сути определение отрицательных степеней (по аналогии с формулой ${{a}^{-n}}=\frac{1}{{{a}^{n}}}$).
Наконец, лишь избранные догадываются, что эти факты можно совмещать и на выходе получить следующий результат:
\[\frac{1}{25}=\frac{1}{{{5}^{2}}}={{5}^{-2}}\]
Таким образом, наше исходное уравнение перепишется следующим образом:
\[{{5}^{2x-3}}=\frac{1}{25}\Rightarrow {{5}^{2x-3}}={{5}^{-2}}\]
А вот это уже вполне решаемо! Слева в уравнении стоит показательная функция, справа в уравнении стоит показательная функция, ничего кроме них нигде больше нет. Следовательно, можно «отбросить» основания и тупо приравнять показатели:
Получили простейшее линейное уравнение, которое любой ученик решит буквально в пару строчек. Ну ладно, в четыре строчки:
\[\begin{align}& 2x-3=-2 \\& 2x=3-2 \\& 2x=1 \\& x=\frac{1}{2} \\\end{align}\]
Если вы не поняли, что сейчас происходило в последних четырёх строчках — обязательно вернитесь в тему «линейные уравнения» и повторите её. Потому что без чёткого усвоения этой темы вам рано браться за показательные уравнения.
\[{{9}^{x}}=-3\]
Ну и как такое решать? Первая мысль: $9=3\cdot 3={{3}^{2}}$, поэтому исходное уравнение можно переписать так:
\[{{\left({{3}^{2}} \right)}^{x}}=-3\]
Затем вспоминаем, что при возведении степени в степень показатели перемножаются:
\[{{\left({{3}^{2}} \right)}^{x}}={{3}^{2x}}\Rightarrow {{3}^{2x}}=-{{3}^{1}}\]
\[\begin{align}& 2x=-1 \\& x=-\frac{1}{2} \\\end{align}\]
И вот за такое решение мы получим честно заслуженную двойку. Ибо мы с невозмутимостью покемона отправили знак «минус», стоящий перед тройкой, в степень этой самой тройки. А так делать нельзя. И вот почему. Взгляните на разные степени тройки:
\[\begin{matrix} {{3}^{1}}=3& {{3}^{-1}}=\frac{1}{3}& {{3}^{\frac{1}{2}}}=\sqrt{3} \\ {{3}^{2}}=9& {{3}^{-2}}=\frac{1}{9}& {{3}^{\frac{1}{3}}}=\sqrt{3} \\ {{3}^{3}}=27& {{3}^{-3}}=\frac{1}{27}& {{3}^{-\frac{1}{2}}}=\frac{1}{\sqrt{3}} \\\end{matrix}\]
Составляя эту табличку, я уж как только не извращался: и положительные степени рассмотрел, и отрицательные, и даже дробные... ну и где здесь хоть одно отрицательное число? Его нет! И не может быть, потому что показательная функция $y={{a}^{x}}$, во-первых, всегда принимает лишь положительные значения (сколько единицу не умножай или не дели на двойку — всё равно будет положительное число), а во-вторых, основание такой функции — число $a$ — по определению является положительным числом!
Ну и как тогда решать уравнение ${{9}^{x}}=-3$? А никак: корней нет. И в этом смысле показательные уравнения очень похожи на квадратные — там тоже может не быть корней. Но если в квадратных уравнениях число корней определяется дискриминантом (дискриминант положительный — 2 корня, отрицательный — нет корней), то в показательных всё зависит от того, что стоит справа от знака равенства.
Таким образом, сформулируем ключевой вывод: простейшее показательное уравнение вида ${{a}^{x}}=b$ имеет корень тогда и только тогда, когда $b>0$. Зная этот простой факт, вы без труда определите: есть у предложенного вам уравнения корни или нет. Т.е. стоит ли вообще его решать или сразу записать, что корней нет.
Это знание ещё неоднократно поможет нам, когда придётся решать более сложные задачи. А пока хватит лирики — пора изучить основной алгоритм решения показательных уравнений.
Итак, сформулируем задачу. Необходимо решить показательное уравнение:
\[{{a}^{x}}=b,\quad a,b>0\]
Согласно «наивному» алгоритму, по которому мы действовали ранее, необходимо представить число $b$ как степень числа $a$:
Кроме того, если вместо переменной $x$ будет стоять какое-либо выражение, мы получим новое уравнение, которое уже вполне можно решить. Например:
\[\begin{align}& {{2}^{x}}=8\Rightarrow {{2}^{x}}={{2}^{3}}\Rightarrow x=3; \\& {{3}^{-x}}=81\Rightarrow {{3}^{-x}}={{3}^{4}}\Rightarrow -x=4\Rightarrow x=-4; \\& {{5}^{2x}}=125\Rightarrow {{5}^{2x}}={{5}^{3}}\Rightarrow 2x=3\Rightarrow x=\frac{3}{2}. \\\end{align}\]
И как ни странно, эта схема работает примерно в 90% случаев. А что тогда с остальными 10%? Остальные 10% — это немного «шизофреничные» показательные уравнения вида:
\[{{2}^{x}}=3;\quad {{5}^{x}}=15;\quad {{4}^{2x}}=11\]
Ну и в какую степень надо возвести 2, чтобы получить 3? В первую? А вот и нет: ${{2}^{1}}=2$ — маловато. Во вторую? Тоже нет: ${{2}^{2}}=4$ — многовато. А в какую тогда?
Знающие ученики уже наверняка догадались: в таких случаях, когда «красиво» решить не получается, к делу подключается «тяжёлая артиллерия» — логарифмы. Напомню, что с помощью логарифмов любое положительное число можно представить как степень любого другого положительного числа (за исключением единицы):
Помните эту формулу? Когда я рассказываю своим ученикам про логарифмы, то всегда предупреждаю: эта формула (она же — основное логарифмическое тождество или, если угодно, определение логарифма) будет преследовать вас её очень долго и «всплывать» в самых неожиданных местах. Ну вот она и всплыла. Давайте посмотрим на наше уравнение и на эту формулу:
\[\begin{align}& {{2}^{x}}=3 \\& a={{b}^{{{\log }_{b}}a}} \\\end{align}\]
Если допустить, что $a=3$ — наше исходное число, стоящее справа, а $b=2$ — то самое основание показательной функции, к которому мы так хотим привести правую часть, то получим следующее:
\[\begin{align}& a={{b}^{{{\log }_{b}}a}}\Rightarrow 3={{2}^{{{\log }_{2}}3}}; \\& {{2}^{x}}=3\Rightarrow {{2}^{x}}={{2}^{{{\log }_{2}}3}}\Rightarrow x={{\log }_{2}}3. \\\end{align}\]
Получили немного странный ответ: $x={{\log }_{2}}3$. В каком-нибудь другом задании многие при таком ответе засомневались бы и начали перепроверять своё решение: вдруг там где-то закралась ошибка? Спешу вас обрадовать: никакой ошибки здесь нет, и логарифмы в корнях показательных уравнений — вполне типичная ситуация. Так что привыкайте.:)
Теперь решим по аналогии оставшиеся два уравнения:
\[\begin{align}& {{5}^{x}}=15\Rightarrow {{5}^{x}}={{5}^{{{\log }_{5}}15}}\Rightarrow x={{\log }_{5}}15; \\& {{4}^{2x}}=11\Rightarrow {{4}^{2x}}={{4}^{{{\log }_{4}}11}}\Rightarrow 2x={{\log }_{4}}11\Rightarrow x=\frac{1}{2}{{\log }_{4}}11. \\\end{align}\]
Вот и всё! Кстати, последний ответ можно записать иначе:
Это мы внесли множитель в аргумент логарифма. Но никто не мешает нам внести этот множитель в основание:
При этом все три варианта являются правильными — это просто разные формы записи одного и того же числа. Какой из них выбрать и записать в настоящем решении — решать только вам.
Таким образом, мы научились решать любые показательные уравнения вида ${{a}^{x}}=b$, где числа $a$ и $b$ строго положительны. Однако суровая реальность нашего мира такова, что подобные простые задачи будут встречаться вам очень и очень редко. Куда чаще вам будет попадаться что-нибудь типа этого:
\[\begin{align}& {{4}^{x}}+{{4}^{x-1}}={{4}^{x+1}}-11; \\& {{7}^{x+6}}\cdot {{3}^{x+6}}={{21}^{3x}}; \\& {{100}^{x-1}}\cdot {{2,7}^{1-x}}=0,09. \\\end{align}\]
Ну и как такое решать? Это вообще можно решить? И если да, то как?
Без паники. Все эти уравнения быстро и просто сводятся к тем простым формулам, которые мы уже рассмотрели. Нужно лишь знать вспомнить парочку приёмов из курса алгебры. Ну и конечно, здесь никуда без правил работы со степенями. Обо всём этом я сейчас расскажу.:)
Первое, что нужно запомнить: любое показательное уравнение, каким бы сложным оно ни было, так или иначе должно сводиться к простейшим уравнениям — тем самым, которые мы уже рассмотрели и которые знаем как решать. Другими словами, схема решения любого показательного уравнения выглядит следующим образом:
С первым пунктом всё понятно — записать уравнение на листик сможет даже мой кот. С третьим пунктом тоже, вроде, более-менее ясно — мы такие уравнения уже целую пачку нарешали выше.
Но как быть со вторым пунктом? Что за преобразования? Что во что преобразовывать? И как?
Что ж, давайте разбираться. Прежде всего, отмечу следующее. Все показательные уравнения делятся на два типа:
Начнём с уравнений первого типа — они решаются проще всего. И в их решении нам поможет такой приём как выделение устойчивых выражений.
Давайте ещё раз посмотрим на это уравнение:
\[{{4}^{x}}+{{4}^{x-1}}={{4}^{x+1}}-11\]
Что мы видим? Четвёрка возводится в разные степени. Но все эти степени — простые суммы переменной $x$ с другими числами. Поэтому необходимо вспомнить правила работы со степенями:
\[\begin{align}& {{a}^{x+y}}={{a}^{x}}\cdot {{a}^{y}}; \\& {{a}^{x-y}}={{a}^{x}}:{{a}^{y}}=\frac{{{a}^{x}}}{{{a}^{y}}}. \\\end{align}\]
Проще говоря, сложение показателей можно преобразовать в произведение степеней, а вычитание легко преобразуется в деление. Попробуем применить эти формулы к степеням из нашего уравнения:
\[\begin{align}& {{4}^{x-1}}=\frac{{{4}^{x}}}{{{4}^{1}}}={{4}^{x}}\cdot \frac{1}{4}; \\& {{4}^{x+1}}={{4}^{x}}\cdot {{4}^{1}}={{4}^{x}}\cdot 4. \\\end{align}\]
Перепишем исходное уравнение с учётом этого факта, а затем соберём все слагаемые слева:
\[\begin{align}& {{4}^{x}}+{{4}^{x}}\cdot \frac{1}{4}={{4}^{x}}\cdot 4-11; \\& {{4}^{x}}+{{4}^{x}}\cdot \frac{1}{4}-{{4}^{x}}\cdot 4+11=0. \\\end{align}\]
В первых четырёх слагаемых присутствует элемент ${{4}^{x}}$ — вынесем его за скобку:
\[\begin{align}& {{4}^{x}}\cdot \left(1+\frac{1}{4}-4 \right)+11=0; \\& {{4}^{x}}\cdot \frac{4+1-16}{4}+11=0; \\& {{4}^{x}}\cdot \left(-\frac{11}{4} \right)=-11. \\\end{align}\]
Осталось разделить обе части уравнения на дробь $-\frac{11}{4}$, т.е. по существу умножить на перевёрнутую дробь — $-\frac{4}{11}$. Получим:
\[\begin{align}& {{4}^{x}}\cdot \left(-\frac{11}{4} \right)\cdot \left(-\frac{4}{11} \right)=-11\cdot \left(-\frac{4}{11} \right); \\& {{4}^{x}}=4; \\& {{4}^{x}}={{4}^{1}}; \\& x=1. \\\end{align}\]
Вот и всё! Мы свели исходное уравнение к простейшему и получили окончательный ответ.
При этом в процессе решения мы обнаружили (и даже вынесли за скобку) общий множитель ${{4}^{x}}$ — это и есть устойчивое выражение. Его можно обозначать за новую переменную, а можно просто аккуратно выразить и получить ответ. В любом случае, ключевой принцип решения следующий:
Найти в исходном уравнении устойчивое выражение, содержащее переменную, которое легко выделяется из всех показательных функций.
Хорошая новость состоит в том, что практически каждое показательное уравнение допускает выделение такого устойчивого выражения.
Но есть и плохая новость: подобные выражения могут оказаться весьма хитрыми, и выделить их бывает довольно сложно. Поэтому разберём ещё одну задачу:
\[{{5}^{x+2}}+{{0,2}^{-x-1}}+4\cdot {{5}^{x+1}}=2\]
Возможно, у кого-то сейчас возникнет вопрос: «Паша, ты что, обкурился? Здесь же разные основания — 5 и 0,2». Но давайте попробуем преобразовать степень с основание 0,2. Например, избавимся от десятичной дроби, приведя её к обычной:
\[{{0,2}^{-x-1}}={{0,2}^{-\left(x+1 \right)}}={{\left(\frac{2}{10} \right)}^{-\left(x+1 \right)}}={{\left(\frac{1}{5} \right)}^{-\left(x+1 \right)}}\]
Как видите, число 5 всё-таки появилось, пускай и в знаменателе. Заодно переписали показатель в виде отрицательного. А теперь вспоминаем одно из важнейших правил работы со степенями:
\[{{a}^{-n}}=\frac{1}{{{a}^{n}}}\Rightarrow {{\left(\frac{1}{5} \right)}^{-\left(x+1 \right)}}={{\left(\frac{5}{1} \right)}^{x+1}}={{5}^{x+1}}\]
Тут я, конечно, немного слукавил. Потому что для полного понимания формулу избавления от отрицательных показателей надо было записать так:
\[{{a}^{-n}}=\frac{1}{{{a}^{n}}}={{\left(\frac{1}{a} \right)}^{n}}\Rightarrow {{\left(\frac{1}{5} \right)}^{-\left(x+1 \right)}}={{\left(\frac{5}{1} \right)}^{x+1}}={{5}^{x+1}}\]
С другой стороны, ничто не мешало нам работать с одной лишь дробью:
\[{{\left(\frac{1}{5} \right)}^{-\left(x+1 \right)}}={{\left({{5}^{-1}} \right)}^{-\left(x+1 \right)}}={{5}^{\left(-1 \right)\cdot \left(-\left(x+1 \right) \right)}}={{5}^{x+1}}\]
Но в этом случае нужно уметь возводить степень в другую степень (напомню: при этом показатели складываются). Зато не пришлось «переворачивать» дроби — возможно, для кого-то это будет проще.:)
В любом случае, исходное показательное уравнение будет переписано в виде:
\[\begin{align}& {{5}^{x+2}}+{{5}^{x+1}}+4\cdot {{5}^{x+1}}=2; \\& {{5}^{x+2}}+5\cdot {{5}^{x+1}}=2; \\& {{5}^{x+2}}+{{5}^{1}}\cdot {{5}^{x+1}}=2; \\& {{5}^{x+2}}+{{5}^{x+2}}=2; \\& 2\cdot {{5}^{x+2}}=2; \\& {{5}^{x+2}}=1. \\\end{align}\]
Вот и получается, что исходное уравнение решается даже проще, чем ранее рассмотренное: тут даже не надо выделять устойчивое выражение — всё само сократилось. Осталось лишь вспомнить, что $1={{5}^{0}}$, откуда получим:
\[\begin{align}& {{5}^{x+2}}={{5}^{0}}; \\& x+2=0; \\& x=-2. \\\end{align}\]
Вот и всё решение! Мы получили окончательный ответ: $x=-2$. При этом хотелось бы отметить один приём, который значительно упростил нам все выкладки:
В показательных уравнениях обязательно избавляйтесь от десятичных дробей, переводите их в обычные. Это позволит увидеть одинаковые основания степеней и значительно упростит решение.
Перейдём теперь к более сложным уравнениям, в которых присутствуют разные основания, которые вообще не сводятся друг к другу с помощью степеней.
Напомню, что у нас есть ещё два особо суровых уравнения:
\[\begin{align}& {{7}^{x+6}}\cdot {{3}^{x+6}}={{21}^{3x}}; \\& {{100}^{x-1}}\cdot {{2,7}^{1-x}}=0,09. \\\end{align}\]
Основная сложность тут — непонятно, что и к какому основанию приводить. Где устойчивые выражения? Где одинаковые основания? Ничего этого нет.
Но попробуем пойти другим путём. Если нет готовых одинаковых оснований, их можно попробовать найти, раскладывая имеющиеся основания на множители.
Начнём с первого уравнения:
\[\begin{align}& {{7}^{x+6}}\cdot {{3}^{x+6}}={{21}^{3x}}; \\& 21=7\cdot 3\Rightarrow {{21}^{3x}}={{\left(7\cdot 3 \right)}^{3x}}={{7}^{3x}}\cdot {{3}^{3x}}. \\\end{align}\]
Но ведь можно поступить наоборот — составить из чисел 7 и 3 число 21. Особенно это просто сделать слева, поскольку показатели и обеих степеней одинаковые:
\[\begin{align}& {{7}^{x+6}}\cdot {{3}^{x+6}}={{\left(7\cdot 3 \right)}^{x+6}}={{21}^{x+6}}; \\& {{21}^{x+6}}={{21}^{3x}}; \\& x+6=3x; \\& 2x=6; \\& x=3. \\\end{align}\]
Вот и всё! Вы вынесли показатель степени за пределы произведения и сразу получили красивое уравнение, которое решается в пару строчек.
Теперь разберёмся со вторым уравнением. Тут всё намного сложнее:
\[{{100}^{x-1}}\cdot {{2,7}^{1-x}}=0,09\]
\[{{100}^{x-1}}\cdot {{\left(\frac{27}{10} \right)}^{1-x}}=\frac{9}{100}\]
В данном случае дроби получились несократимыми, но если бы что-то можно было сократить — обязательно сокращайте. Зачастую при этом появятся интересные основания, с которыми уже можно работать.
У нас же, к сожалению, ничего особо не появилось. Зато мы видим, что показатели степеней, стоящий в произведении слева, противоположны:
Напомню: чтобы избавиться от знака «минус» в показателе, достаточно просто «перевернуть» дробь. Что ж, перепишем исходное уравнение:
\[\begin{align}& {{100}^{x-1}}\cdot {{\left(\frac{10}{27} \right)}^{x-1}}=\frac{9}{100}; \\& {{\left(100\cdot \frac{10}{27} \right)}^{x-1}}=\frac{9}{100}; \\& {{\left(\frac{1000}{27} \right)}^{x-1}}=\frac{9}{100}. \\\end{align}\]
Во второй строчке мы просто вынесли общий показатель из произведения за скобку по правилу ${{a}^{x}}\cdot {{b}^{x}}={{\left(a\cdot b \right)}^{x}}$, а в последней просто умножили число 100 на дробь.
Теперь заметим, что числа, стоящие слева (в основании) и справа, чем-то похожи. Чем? Да очевидно же: они являются степенями одного и того же числа! Имеем:
\[\begin{align}& \frac{1000}{27}=\frac{{{10}^{3}}}{{{3}^{3}}}={{\left(\frac{10}{3} \right)}^{3}}; \\& \frac{9}{100}=\frac{{{3}^{2}}}{{{10}^{3}}}={{\left(\frac{3}{10} \right)}^{2}}. \\\end{align}\]
Таким образом, наше уравнение перепишется следующим образом:
\[{{\left({{\left(\frac{10}{3} \right)}^{3}} \right)}^{x-1}}={{\left(\frac{3}{10} \right)}^{2}}\]
\[{{\left({{\left(\frac{10}{3} \right)}^{3}} \right)}^{x-1}}={{\left(\frac{10}{3} \right)}^{3\left(x-1 \right)}}={{\left(\frac{10}{3} \right)}^{3x-3}}\]
При этом справа тоже можно получить степень с таким же основанием, для чего достаточно просто «перевернуть» дробь:
\[{{\left(\frac{3}{10} \right)}^{2}}={{\left(\frac{10}{3} \right)}^{-2}}\]
Окончательно наше уравнение примет вид:
\[\begin{align}& {{\left(\frac{10}{3} \right)}^{3x-3}}={{\left(\frac{10}{3} \right)}^{-2}}; \\& 3x-3=-2; \\& 3x=1; \\& x=\frac{1}{3}. \\\end{align}\]
Вот и всё решение. Основная его идея сводится к тому, что даже при разных основаниях мы пытаемся любыми правдами и неправдами свести эти основания к одному и тому же. В этом нам помогают элементарные преобразования уравнений и правила работы со степенями.
Но какие правила и когда использовать? Как понять, что в одном уравнении нужно делить обе стороны на что-то, а в другом — раскладывать основание показательной функции на множители?
Ответ на этот вопрос придёт с опытом. Попробуйте свои силы сначала на простых уравнениях, а затем постепенно усложняйте задачи — и очень скоро ваших навыков будет достаточно, чтобы решить любое показательное уравнение из того же ЕГЭ или любой самостоятельной/контрольной работы.
А чтобы помочь вам в этом нелёгком деле, предлагаю скачать на моём сайте комплект уравнений для самостоятельного решения. Ко всем уравнениям есть ответы, поэтому вы всегда сможете себя проверить.
На канал на youtube нашего сайта сайт, чтобы быть в курсе всех новых видео уроков.
Для начала вспомним основные формулы степеней и их свойства.
Произведение числа a само на себя происходит n раз, это выражение мы можем записать как a a … a=a n
1. a 0 = 1 (a ≠ 0)
3. a n a m = a n + m
4. (a n) m = a nm
5. a n b n = (ab) n
7. a n /a m = a n — m
Степенные или показательные уравнения – это уравнения в которых переменные находятся в степенях (или показателях), а основанием является число.
Примеры показательных уравнений:
В данном примере число 6 является основанием оно всегда стоит внизу, а переменная x степенью или показателем.
Приведем еще примеры показательных уравнений.
2 x *5=10
16 x — 4 x — 6=0
Теперь разберем как решаются показательные уравнения?
Возьмем простое уравнение:
2 х = 2 3
Такой пример можно решить даже в уме. Видно, что x=3. Ведь чтобы левая и правая часть были равны нужно вместо x поставить число 3.
А теперь посмотрим как нужно это решение оформить:
2 х = 2 3
х = 3
Для того, чтобы решить такое уравнение, мы убрали одинаковые основания (то есть двойки) и записали то что осталось, это степени. Получили искомый ответ.
Теперь подведем итоги нашего решения.
Алгоритм решения показательного уравнения:
1. Нужно проверить одинаковые
ли основания у уравнения справа и слева. Если основания не одинаковые ищем варианты для решения данного примера.
2. После того как основания станут одинаковыми, приравниваем
степени и решаем полученное новое уравнение.
Теперь прорешаем несколько примеров:
Начнем с простого.
Основания в левой и правой части равны числу 2, значит мы можем основание отбросить и приравнять их степени.
x+2=4 Получилось простейшее уравнение.
x=4 — 2
x=2
Ответ: x=2
В следующем примере видно, что основания разные это 3 и 9.
3 3х — 9 х+8 = 0
Для начала переносим девятку в правую сторону, получаем:
Теперь нужно сделать одинаковые основания. Мы знаем что 9=3 2 . Воспользуемся формулой степеней (a n) m = a nm .
3 3х = (3 2) х+8
Получим 9 х+8 =(3 2) х+8 =3 2х+16
3 3х = 3 2х+16 теперь видно что в левой и правой стороне основания одинаковые и равные тройке, значит мы их можем отбросить и приравнять степени.
3x=2x+16 получили простейшее уравнение
3x — 2x=16
x=16
Ответ: x=16.
Смотрим следующий пример:
2 2х+4 — 10 4 х = 2 4
В первую очередь смотрим на основания, основания разные два и четыре. А нам нужно, чтобы были — одинаковые. Преобразовываем четверку по формуле (a n) m = a nm .
4 х = (2 2) х = 2 2х
И еще используем одну формулу a n a m = a n + m:
2 2х+4 = 2 2х 2 4
Добавляем в уравнение:
2 2х 2 4 — 10 2 2х = 24
Мы привели пример к одинаковым основаниям. Но нам мешают другие числа 10 и 24. Что с ними делать? Если приглядеться видно, что в левой части у нас повторяется 2 2х,вот и ответ — 2 2х мы можем вынести за скобки:
2 2х (2 4 — 10) = 24
Посчитаем выражение в скобках:
2 4 — 10 = 16 — 10 = 6
Все уравнение делим на 6:
Представим 4=2 2:
2 2х = 2 2 основания одинаковые, отбрасываем их и приравниваем степени.
2х = 2 получилось простейшее уравнение. Делим его на 2 получаем
х = 1
Ответ: х = 1.
Решим уравнение:
9 х – 12*3 х +27= 0
Преобразуем:
9 х = (3 2) х = 3 2х
Получаем уравнение:
3 2х — 12 3 х +27 = 0
Основания у нас одинаковы равны трем.В данном примере видно, что у первой тройки степень в два раза (2x) больше, чем у второй (просто x). В таком случаем можно решить методом замены . Число с наименьшей степенью заменяем:
Тогда 3 2х = (3 х) 2 = t 2
Заменяем в уравнении все степени с иксами на t:
t 2 — 12t+27 = 0
Получаем квадратное уравнение. Решаем через дискриминант, получаем:
D=144-108=36
t 1 = 9
t 2 = 3
Возвращаемся к переменной x .
Берем t 1:
t 1 = 9 = 3 х
Стало быть,
3 х = 9
3 х = 3 2
х 1 = 2
Один корень нашли. Ищем второй, из t 2:
t 2 = 3 = 3 х
3 х = 3 1
х 2 = 1
Ответ: х 1 = 2; х 2 = 1.
На сайте Вы можете в разделе ПОМОГИТЕ РЕШИТЬ задавать интересующие вопросы мы Вам обязательно ответим.
Вступайте в группу
