Математика · Розділ

Показникові, логарифмічні, тригонометричні вирази

Програма НМТ вимагає від вас двох речей: виконувати тотожні перетворення показникових, логарифмічних і тригонометричних виразів та знаходити їхнє числове значення за заданих значень змінних. Тобто вміти не «розповісти теорію», а швиденько перетворити запис і довести його до числа. Коментар викладачки. Друзі, одразу розмежуємо види виразів. Логарифми – це не тригонометрія. Тригонометрія – це лише там, де є синус, косинус і тангенс. Усе інше вже інша частина теми. Це важливо, бо в тесті ці вирази стоять поруч, в одному завданні на відповідність, і треба перемикатися між ними за секунди.

✍ Автор: Анастасія
Коротко

Показникові, логарифмічні та тригонометричні вирази – це вирази, у яких змінна стоїть у показнику степеня, під знаком логарифма або під знаком синуса, косинуса й тангенса. На НМТ їх перетворюють і обчислюють числове значення за заданих значень змінних. Цю тему розбирають на курсі математики KEVIN.

🔑 Головні правила

Означення логарифма

Основна логарифмічна тотожність: якщо \(a \gt 0\), \(a \ne 1\), то \(a^{\log_a b} = b\).

Логарифм степеня в основі

\(\log_{a^p} x = \dfrac{1}{p}\log_a x\), де \(a \gt 0\), \(a \ne 1\), \(x \gt 0\).

Десятковий логарифм

Логарифм за основою \(10\) позначають \(\lg b\).

Натуральний логарифм

Логарифм за основою \(e\) позначають \(\ln b\), де \(e \approx 2{,}7182818284\ldots\)

Перехід до іншої основи

\(\log_2 7 = \dfrac{\lg 7}{\lg 2}\), тобто логарифм за незручною основою зводять до відношення двох логарифмів за однією основою.

Логарифм із перевернутою основою

\(\log_b a = \dfrac{1}{\log_a b}\), де \(a \gt 0\), \(a \ne 1\), \(b \gt 0\), \(b \ne 1\).

Область визначення логарифма

Вираз \(\log_a x\) існує лише за умов \(x \gt 0\), \(a \gt 0\), \(a \ne 1\).

Показниковий вираз завжди додатний

\(a^x \gt 0\) для будь-якого \(x \in \mathbb{R}\), тому \(a^x = b\) при \(b \le 0\) розвʼязків не має.

Множення степенів з однаковою основою

\(a^{f(x)+m} = a^{f(x)} \cdot a^{m}\).

Різні основи зводимо до однієї

\(2^x \cdot 3^x = 6^x\), а \(a = e^{\ln a}\), звідси \(a^x = e^{x\ln a}\).

Заміна змінної

Для показникового виразу беруть \(t = a^{f(x)}\), причому \(t \gt 0\); для логарифмічного \(t = \log_a f(x)\).

Що входить до тригонометричних виразів

синус, косинус і тангенс числового аргументу; сюди ж належать основні співвідношення між тригонометричними функціями одного аргументу, формули зведення та формули додавання і наслідки з них.

Тангенс

Тангенс – непарна функція, і \(\operatorname{tg}\dfrac{\pi}{4} = 1\). Знак тангенса в чверті визначають знаки синуса й косинуса в ній.

📆 План підготовки — План підготовки, 4 тижні від нуля

Степінь 1

Означення степеня з натуральним, цілим і раціональним показниками та їхні властивості. Тут же корінь \(n\)-го степеня, бо \(a^{\frac{3}{2}}\) без нього не порахуєте. Опора: Степінь з цілим показником.

Логарифм 2

Означення й властивості логарифма, основна логарифмічна тотожність, десятковий і натуральний логарифми, перехід до іншої основи. Обовʼязково відпрацюйте умову \(x \gt 0\), \(a \gt 0\), \(a \ne 1\).

Тригонометрія 3

Синус, косинус, тангенс числового аргументу, основні співвідношення між функціями одного аргументу, формули зведення, формули додавання і наслідки з них.

Змішана практика 4

Завдання на відповідність, де в одному номері стоять і степінь, і логарифм, і тригонометрія одночасно. Саме так тема виглядає в реальному тесті, тому тренуватися варто саме в такому форматі.

Як розв'язувати завдання теми — загальний метод

  1. 1 Перевірте область визначення

    Якщо є логарифм, його аргумент строго більший за нуль, а основа додатна й не дорівнює одиниці.

  2. 2 Зведіть до однієї основи

    Показникові степені записуйте через одну основу, логарифми через одну основу за формулою переходу.

  3. 3 Застосуйте властивості

    Винесіть спільний множник, поділіть на степінь, скористайтеся \(\log_{a^p} x = \dfrac{1}{p}\log_a x\).

  4. 4 Зробіть заміну, якщо запис громіздкий

    \(t = a^{f(x)}\) з умовою \(t \gt 0\) або \(t = \log_a f(x)\).

  5. 5 Порахуйте і зіставте з варіантами

    У завданнях на відповідність відповідь завжди коротка, тому громіздке проміжне значення означає помилку в кроці 2 або 3.

⚠️ Типові помилки по темі

✗
Логарифми теж належать до тригонометрії

Неправильно. Тригонометрія - це лише синус, косинус і тангенс числового аргументу; логарифми в програмі стоять окремим пунктом як логарифмічні вирази.

✗
В основі логарифма може стояти одиниця або відʼємне число

Неправильно. Логарифм означений лише за умов \(a \gt 0\) і \(a \ne 1\), і саме тому запис \(\log_1 12\) сенсу не має.

✗
Показниковий вираз може дорівнювати нулю або відʼємному числу

Неправильно. Оскільки \(a^x \gt 0\) для всіх \(x \in \mathbb{R}\), рівняння \(a^x = b\) при \(b \le 0\) коренів не має. Тому й після заміни \(t = a^{f(x)}\) відʼємний корінь \(t\) відкидають одразу.

✗
Область визначення можна знайти в кінці, коли вже все пораховано

Неправильно. Для логарифмічного виразу область допустимих значень записують ПЕРШИМ кроком, бо частина знайдених чисел може до неї не належати, і тоді вони не є розвʼязками.

✗
У показнику степеня мінус означає, що результат відʼємний

Неправильно. Мінус у показнику перевертає дріб: \(e^{-\frac{1}{2}} = \dfrac{1}{e^{\frac{1}{2}}}\). Знак самого значення водночас не змінюється, воно лишається додатним.

Довший опис теми

Що таке логарифм і чому в його основі не може бути одиниці

Логарифм – це показник степеня, до якого треба піднести основу, щоб отримати задане число. Саме тому працює основна логарифмічна тотожність \(a^{\log_a b} = b\), а логарифм існує лише за умов \(a \gt 0\), \(a \ne 1\) і додатного аргументу.

Обмеження на основу не вивчають напамʼять, його легко пояснити. Уявіть логарифм із основою \(1\) від числа \(12\): до якого степеня піднести одиницю, щоб вийшло дванадцять? Ні до якого, бо одиниця в будь-якому степені дає одиницю. А якби основа була відʼємною, то степені по черзі давали б то додатне, то відʼємне значення, і функція стрибала б туди-сюди замість того, щоб рівно зростати або спадати. Ось і вся причина запису \(a \gt 0\), \(a \ne 1\).

Два логарифми мають власні позначення, бо трапляються найчастіше. Логарифм за основою \(10\) називають десятковим і пишуть \(\lg b\); логарифм за основою \(e\) називають натуральним і пишуть \(\ln b\), де \(e\) – ірраціональне число, \(e \approx 2{,}7182818284\ldots\) Функцію \(y = e^x\) ще називають експонентою.

Коментар викладачки. Дивіться, натуральний логарифм – це звичайний логарифм, у якого основа число Ейлера. Йому просто придумали окремий запис, а поводиться він абсолютно так само. І одразу корисний висновок: \(e \gt 1\), тому в нерівностях із \(\ln\) знак не перевертається. Один раз це зрозумієте і все, більше не будете гадати.

Як перетворювати показникові вирази

Показниковий вираз перетворюють зведенням до однакової основи: усі степені записують через одну основу, а далі працюють із показниками. Це головний прийом, бо \(a^{f(x)} = a^{g(x)}\) при \(a \gt 0\), \(a \ne 1\) рівносильне \(f(x) = g(x)\).

Далі підключаються три техніки. Перша: винесення спільного множника, якщо у виразі стоять степені вигляду \(a^{f(x)+m}\) з різними числами \(m\). За властивістю множення степенів \(a^{f(x)+m} = a^{f(x)} \cdot a^{m}\), і після винесення за дужки лишається найпростіший вигляд \(a^{f(x)} = b\). Друга: ділення на степінь, коли основи різні. Так вираз \(2^{x-1} = 5^{x-1}\) після ділення на \(5^{x-1} \ne 0\) дає \(\left(\dfrac{2}{5}\right)^{x-1} = 1\), звідки \(x – 1 = 0\). Третя: заміна \(t = a^{f(x)}\), причому обовʼязково \(t \gt 0\).

Умова \(t \gt 0\) не формальність, а робочий інструмент. У рівнянні \(3 \cdot 25^x – 2 \cdot 5^x = 1\) заміна \(5^x = t\) дає \(3t^2 – 2t – 1 = 0\) з коренями \(t_1 = 1\) і другим, відʼємним. Відʼємний корінь одразу відкидають, бо \(5^x\) не може бути відʼємним, і лишається \(5^x = 1\), тобто \(x = 0\).

Як перетворювати логарифмічні вирази

Логарифмічний вираз перетворюють властивостями логарифма і переходом до однієї основи. Наприклад, \(\log_{243} 81 = \log_{3^5} 3^4 = \dfrac{4}{5}\log_3 3 = \dfrac{4}{5} \cdot 1 = 0{,}8\).

Якщо основи різні, у пригоді стане формула переходу. Так \(\log_2 7 = \dfrac{\lg 7}{\lg 2}\), і саме через неї на калькуляторі обчислюють значення \(\log_2 7 \approx 2{,}8074\). Ще одна корисна дія: логарифм із перевернутою основою, \(\log_b a = \dfrac{1}{\log_a b}\), де \(a \gt 0\), \(a \ne 1\), \(b \gt 0\), \(b \ne 1\). Саме її застосовують, коли в одному виразі стоять \(\log_2 x\) і \(\log_x 2\).

Складніший вираз зводять до алгебраїчного заміною \(t = \log_a f(x)\). У рівнянні \(\log_2 x + 3\log_x 2 = 4\) спершу переписують \(\log_x 2 = \dfrac{1}{\log_2 x}\), потім беруть \(t = \log_2 x\) і отримують звичайне дробове рівняння. Такий самий хід працює у виразі з \(\log_4^2(x-1) + \log_4(x-1) – 2 = 0\), де заміна \(\log_4(x-1) = t\) дає квадратне рівняння.

Логарифми потрібні не лише в тесті. Ними описують реальні процеси: за їхньою допомогою рахують кількість води, що прибуває в штучну водойму під час повені, двійковий логарифм застосовують у теорії інформації, а десятковий у логарифмічній шкалі, наприклад для вимірювання інтенсивності звуку в децибелах.

Що входить до тригонометричних виразів на НМТ

До тригонометричних виразів належать синус, косинус і тангенс числового аргументу разом з основними співвідношеннями між тригонометричними функціями одного аргументу, формулами зведення та формулами додавання і наслідками з них.

Практична підказка: знак значення читають по чверті. Тангенс – непарна функція, і \(\operatorname{tg}\dfrac{\pi}{4} = 1\), бо там і синус, і косинус додатні. Значення \(-1\) тангенс дає у чвертях, де синус і косинус мають різні знаки: або косинус відʼємний і синус додатний, або навпаки. Тому знайти кут за значенням тангенса можна прямо по колу, без вгадування.

❓ Часті запитання про тему

Чи входять логарифми до тригонометрії?

Ні. Тригонометричними називають вирази з синусом, косинусом і тангенсом числового аргументу, а логарифмічні вирази стоять у програмі окремо. У тесті вони можуть трапитися в одному завданні на відповідність, але це різні види виразів.

Що саме треба вміти з цієї теми на НМТ?

Дві дії: виконувати тотожні перетворення показникових, логарифмічних і тригонометричних виразів та знаходити їхнє числове значення за заданих значень змінних.

Яка область визначення логарифма?

Аргумент логарифма строго більший за нуль, основа додатна і не дорівнює одиниці. Тобто у виразі \(\log_a x\) обовʼязково \(x \gt 0\), \(a \gt 0\), \(a \ne 1\).

Чим \(\ln\) відрізняється від \(\lg\)?

Основою. \(\lg b\) – це логарифм за основою \(10\), його називають десятковим. \(\ln b\) – це логарифм за основою \(e\), його називають натуральним, де \(e \approx 2{,}7182818284\ldots\)

Як обчислити логарифм, якщо число не є степенем основи?

Скористайтеся формулою переходу до іншої основи. Наприклад, \(\log_2 7 = \dfrac{\lg 7}{\lg 2} \approx 2{,}8074\) з точністю до десятитисячних.

З якої підтеми починати підготовку?

Із властивостей степеня. Без степеня з раціональним показником ви не порахуєте ні \(a^{\frac{3}{2}}\), ні \(\log_{3^5} 3^4\), ні \(\sqrt{(2^a)^3}\), тобто застрягнете вже на першому рядку завдання на відповідність.

Одна підтема – це добре, а на НМТ ці вирази стоять поруч в одному номері, і перемикатися між степенем, логарифмом і тригонометрією треба швидко. На курсі KEVIN усю тему проходять саме такою послідовністю, від властивостей степеня до формул додавання.

Хочете план підготовки з математики під ваш рівень? Залиште імʼя і телефон, і ми передзвонимо.

🔗 Схожі теми: з Математики

Безкоштовна консультація з експертом

Готуєтесь до НМТ з Математики? Запишіться на безкоштовну онлайн-діагностику з викладачем KEVIN — визначимо ваш рівень і складемо план підготовки.

Отримати план підготовки

Або зателефонуйте: +38 (073) 304 64 49