3.4 Solving Equations Using Logarithms - 用对数解方程

知识点总结与练习题

核心知识点

1. 用对数解指数方程的基本原理

核心概念 (Core Concept):对于形如 \(a^x = b\) 的方程,可以通过取对数来求解,即 \(x = \log_a b\)。

  • 指数方程和对数方程的相互转换
  • 使用计算器计算任意底数的对数
  • 注意底数和真数的取值范围

公式 (Formula):\(a^x = b \Rightarrow x = \log_a b\)

2. 简单指数方程的求解

定义 (Definition):对于形如 \(a^x = b\) 的简单指数方程,直接使用对数求解。

  • 直接使用公式 \(x = \log_a b\)
  • 使用计算器计算对数值
  • 注意答案的精度要求

应用场景 (Application):适用于各种简单的指数方程求解。

3. 二次指数方程的求解

核心方法 (Core Methods):

  • 使用换元法:设 \(y = a^x\)
  • 将指数方程转化为二次方程
  • 求解二次方程得到 \(a^x\) 的值
  • 再求解对应的 \(x\) 值

4. 不同底数方程的求解

核心方法 (Core Methods):

  • 使用"两边取对数"的方法
  • 两边的对数必须使用相同的底数
  • 利用对数的幂法则化简
  • 解出未知数

关键词汇表

指数方程 Exponential Equation
对数方程 Logarithmic Equation
换元法 Substitution Method
两边取对数 Taking Logs of Both Sides
二次指数方程 Quadratic Exponential Equation
精度 Accuracy

例题解析

Example 1: 简单指数方程

题目:求解 \(3^x = 20\),答案保留3位小数

解答

解题步骤说明:

  • 步骤1:识别方程形式 \(a^x = b\)
  • 步骤2:应用公式 \(x = \log_a b\)
  • 步骤3:\(x = \log_3 20\)
  • 步骤4:使用计算器计算:\(x = 2.727\)
  • 结论:答案保留3位小数

Example 2: 二次指数方程

题目:求解 \(5^{2x} - 12(5^x) + 20 = 0\)

解答

解题步骤说明:

  • 步骤1:设 \(y = 5^x\),方程变为 \(y^2 - 12y + 20 = 0\)
  • 步骤2:因式分解:\((y - 10)(y - 2) = 0\)
  • 步骤3:\(y = 10\) 或 \(y = 2\)
  • 步骤4:\(5^x = 10 \Rightarrow x = \log_5 10 = 1.43\)
  • 步骤5:\(5^x = 2 \Rightarrow x = \log_5 2 = 0.431\)
  • 最终答案:\(x = 1.43\) 或 \(x = 0.431\)

Question 1

求解以下方程,答案保留3位有效数字:

a) \(2^x = 75\)

b) \(3^x = 10\)

c) \(5^x = 2\)

d) \(4^{2x} = 100\)

e) \(9^{x+5} = 50\)

答题区域:

Question 2

求解以下方程,答案保留3位有效数字:

a) \(7^{2x-1} = 23\)

b) \(11^{3x-2} = 65\)

c) \(2^{3-2x} = 88\)

d) \(6^{x+3} = 150\)

e) \(8^{2x+1} = 200\)

答题区域:

Question 3

求解以下二次指数方程,答案保留3位有效数字:

a) \(2^{2x} - 6(2^x) + 5 = 0\)

b) \(3^{2x} - 15(3^x) + 44 = 0\)

c) \(5^{2x} - 6(5^x) - 7 = 0\)

d) \(3^{2x} + 3^{x+1} - 10 = 0\)

答题区域:

Question 4

求解以下二次指数方程,答案保留3位有效数字:

a) \(7^{2x} + 12 = 7^{x+1}\)

b) \(2^{2x} + 3(2^x) - 4 = 0\)

c) \(3^{2x+1} - 26(3^x) - 9 = 0\)

d) \(4(3^{2x+1}) + 17(3^x) - 7 = 0\)

答题区域:

Question 5

求解以下不同底数的方程,答案保留4位小数:

a) \(5^x = 2^{x+1}\)

b) \(3^{x+5} = 6^x\)

c) \(7^{x+1} = 3^{x+2}\)

d) \(2^{x+3} = 5^{x-1}\)

答题区域:

答案与解析

Question 1 解析

a) \(2^x = 75 \Rightarrow x = \log_2 75 = 6.23\)

b) \(3^x = 10 \Rightarrow x = \log_3 10 = 2.10\)

c) \(5^x = 2 \Rightarrow x = \log_5 2 = 0.431\)

d) \(4^{2x} = 100 \Rightarrow 2x = \log_4 100 \Rightarrow x = \frac{\log_4 100}{2} = 1.66\)

e) \(9^{x+5} = 50 \Rightarrow x+5 = \log_9 50 \Rightarrow x = \log_9 50 - 5 = -3.32\)

答案:a) 6.23;b) 2.10;c) 0.431;d) 1.66;e) -3.32
Question 2 解析

a) \(7^{2x-1} = 23 \Rightarrow 2x-1 = \log_7 23 \Rightarrow x = \frac{\log_7 23 + 1}{2} = 0.896\)

b) \(11^{3x-2} = 65 \Rightarrow 3x-2 = \log_{11} 65 \Rightarrow x = \frac{\log_{11} 65 + 2}{3} = 1.12\)

c) \(2^{3-2x} = 88 \Rightarrow 3-2x = \log_2 88 \Rightarrow x = \frac{3 - \log_2 88}{2} = -2.46\)

d) \(6^{x+3} = 150 \Rightarrow x+3 = \log_6 150 \Rightarrow x = \log_6 150 - 3 = -0.523\)

e) \(8^{2x+1} = 200 \Rightarrow 2x+1 = \log_8 200 \Rightarrow x = \frac{\log_8 200 - 1}{2} = 0.736\)

答案:a) 0.896;b) 1.12;c) -2.46;d) -0.523;e) 0.736
Question 3 解析

a) 设 \(y = 2^x\),则 \(y^2 - 6y + 5 = 0\),解得 \(y = 1\) 或 \(y = 5\)

\(2^x = 1 \Rightarrow x = 0\);\(2^x = 5 \Rightarrow x = \log_2 5 = 2.32\)

b) 设 \(y = 3^x\),则 \(y^2 - 15y + 44 = 0\),解得 \(y = 4\) 或 \(y = 11\)

\(3^x = 4 \Rightarrow x = \log_3 4 = 1.26\);\(3^x = 11 \Rightarrow x = \log_3 11 = 2.18\)

c) 设 \(y = 5^x\),则 \(y^2 - 6y - 7 = 0\),解得 \(y = 7\) 或 \(y = -1\)(舍去)

\(5^x = 7 \Rightarrow x = \log_5 7 = 1.21\)

d) 设 \(y = 3^x\),则 \(y^2 + 3y - 10 = 0\),解得 \(y = 2\) 或 \(y = -5\)(舍去)

\(3^x = 2 \Rightarrow x = \log_3 2 = 0.631\)

答案:a) 0, 2.32;b) 1.26, 2.18;c) 1.21;d) 0.631
Question 4 解析

a) \(7^{2x} + 12 = 7^{x+1} = 7 \cdot 7^x\),设 \(y = 7^x\),则 \(y^2 + 12 = 7y\)

\(y^2 - 7y + 12 = 0\),解得 \(y = 3\) 或 \(y = 4\)

\(7^x = 3 \Rightarrow x = \log_7 3 = 0.565\);\(7^x = 4 \Rightarrow x = \log_7 4 = 0.712\)

b) 设 \(y = 2^x\),则 \(y^2 + 3y - 4 = 0\),解得 \(y = 1\) 或 \(y = -4\)(舍去)

\(2^x = 1 \Rightarrow x = 0\)

c) 设 \(y = 3^x\),则 \(3y^2 - 26y - 9 = 0\),解得 \(y = 9\) 或 \(y = -\frac{1}{3}\)(舍去)

\(3^x = 9 \Rightarrow x = 2\)

d) 设 \(y = 3^x\),则 \(12y^2 + 17y - 7 = 0\),解得 \(y = \frac{1}{3}\) 或 \(y = -\frac{7}{4}\)(舍去)

\(3^x = \frac{1}{3} \Rightarrow x = -1\)

答案:a) 0.565, 0.712;b) 0;c) 2;d) -1
Question 5 解析

a) \(5^x = 2^{x+1}\),两边取对数:\(x\log 5 = (x+1)\log 2\)

\(x\log 5 = x\log 2 + \log 2 \Rightarrow x(\log 5 - \log 2) = \log 2\)

\(x = \frac{\log 2}{\log 5 - \log 2} = 0.7565\)

b) \(3^{x+5} = 6^x\),两边取对数:\((x+5)\log 3 = x\log 6\)

\(x\log 3 + 5\log 3 = x\log 6 \Rightarrow x(\log 6 - \log 3) = 5\log 3\)

\(x = \frac{5\log 3}{\log 6 - \log 3} = 7.9248\)

c) \(7^{x+1} = 3^{x+2}\),两边取对数:\((x+1)\log 7 = (x+2)\log 3\)

\(x\log 7 + \log 7 = x\log 3 + 2\log 3 \Rightarrow x(\log 7 - \log 3) = 2\log 3 - \log 7\)

\(x = \frac{2\log 3 - \log 7}{\log 7 - \log 3} = 0.1887\)

d) \(2^{x+3} = 5^{x-1}\),两边取对数:\((x+3)\log 2 = (x-1)\log 5\)

\(x\log 2 + 3\log 2 = x\log 5 - \log 5 \Rightarrow x(\log 2 - \log 5) = -\log 5 - 3\log 2\)

\(x = \frac{-\log 5 - 3\log 2}{\log 2 - \log 5} = 2.3219\)

答案:a) 0.7565;b) 7.9248;c) 0.1887;d) 2.3219