Особенности логарифмических уравнений в обучении студентов педагогических ВУЗов

Особенности логарифмических уравнений в обучении студентов педагогических ВУЗов

Статья по математике. Автор: Меджидова Фиренгиз Аседуллаевна.

Учитель информатики, специалист по ИКТ в МКОУ «Великентская СОШ им. Гереева У. А.». РД, Дербентский район, с. Великент

Аннотация. Статья содержит сведения о логарифмических уравнениях, свойствах и их применении в решении логарифмических уравнений, необходимые в обучении студентов математике.

Ключевые слова: логарифмические уравнения, свойства логарифмических уравнений, применение свойств логарифмических уравнений.

Важнейшим условием эффективности работы учителя в школе является качество его профессиональной подготовки. Качество образования, гарантирующее высокий уровень готовности студентов педагогических ВУЗов к будущей профессиональной деятельности, определяется тем, насколько полученное в вузе образование соответствует текущим и перспективным задачам развития общества. Исходя из этого важным, на мой взгляд, выступает умение учащихся решению логарифмических уравнений и неравенств.

На сегодняшний день проблемным является именно область математики, так как учащиеся все больше увлекаясь компьютерами, забывают порой тренировать свой ум с помощью математики. Решение логарифмических уравнений является весьма существенной тренировкой «мозга».

Целью данного исследования выступает рассмотрение логарифмических уравнений, с помощью ряда примеров. В первую очередь, проведем небольшой экскурс в историю появления и развития логарифмов.

Логарифмы были придуманы для ускорения и упрощения вычислений. Идея логарифма, т. е. идея выражать числа в виде степени одного и того же основания, принадлежит Михаилу Штифелю. Но во времена Штифеля математика была не столь развита и идея логарифма не нашла своего развития. В развитии теории логарифмов большое значение имели работы петербургского академика Леонарда Эйлера. Он первым стал рассматривать логарифмирование как действие, обратное возведению в степень, он ввёл в употребление термины «основание логарифма» и «мантисса»

Однако первым руководством по решению задач, получившим широкую известность, стал труд багдадского ученого IX в. Мухаммеда бен Мусы аль-Хорезми. Слово "аль-джебр" из арабского названия этого трактата – "Китаб аль-джебер валь-мукабала" ("Книга о восстановлении и противопоставлении") – со временем превратилось в хорошо знакомое всем слово "алгебра", а само сочинение аль-Хорезми послужило отправной точкой в становлении науки о решении уравнений.

Перейдем к рассмотрению непосредственно логарифмических уравнений. Уравнение, содержащее неизвестное под знаком логарифма или в его основании, называется логарифмическим уравнением.

Простейшим логарифмическим уравнением является уравнение вида

log_a x = b.                                                                                              (1)

Утверждение 1. Если a > 0, a ≠ 1, уравнение (1) при любом действительном b имеет единственное решение x = a^b.

Пример 1. Решить уравнения:

a) log₂ x = 3, b) log₃ x = -1, c)

Решение. Используя утверждение 1, получим a) x = 2³ или x = 8; b) x = 3^-1 или x = ¹/₃; c) или x = 1.  [4]

Приведем основные свойства логарифма.

Р1. Основное логарифмическое тождество:

где a > 0, a ≠ 1 и b > 0.

Р2. Логарифм произведения положительных сомножителей равен сумме логарифмов этих сомножителей:

log_a N₁·N₂ = log_a N₁ + log_a N₂ (a > 0, a ≠ 1, N₁ > 0, N₂ > 0).

Замечание. Если N₁·N₂ > 0, тогда свойство P2 примет вид

log_a N₁·N₂ = log_a |N₁| + log_a |N₂| (a > 0, a ≠ 1, N₁·N₂ > 0).

Р3. Логарифм частного двух положительных чисел равен разности логарифмов делимого и делителя

 (a > 0, a ≠ 1, N₁ > 0, N₂ > 0).

Замечание. Если , (что равносильно N₁N₂ > 0) тогда свойство P3 примет вид

 (a > 0, a ≠ 1, N₁N₂ > 0).

P4. Логарифм степени положительного числа равен произведению показателя степени на логарифм этого числа:

log_a N ^k = k log_a N (a > 0, a ≠ 1, N > 0).

Замечание. Если k - четное число (k = 2s), то

log_a N ^2s = 2s log_a |N| (a > 0, a ≠ 1, N ≠ 0).

P5. Формула перехода к другому основанию:

 (a > 0, a ≠ 1, b > 0, b ≠ 1, N > 0),

в частности, если N = b, получим

         (a > 0, a ≠ 1, b > 0, b ≠ 1).        (2)

Используя свойства P4 и P5, легко получить следующие свойства

    (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c ≠ 0),        (3)

       (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c ≠ 0),        (4)

      (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c ≠ 0),        (5)

и, если в (5) c - четное число (c = 2n), имеет место

          (b > 0, a ≠ 0, |a| ≠ 1).      (6) [2]

Перечислим и основные свойства логарифмической функции f(x) = log_a x:

1.                 Область определения логарифмической функции есть множество положительных чисел.

2.                 Область значений логарифмической функции - множество действительных чисел.

3.                 При a > 1 логарифмическая функция строго возрастает (0 < x₁ < x₂ log_a x₁ < log_a x₂), а при 0 < a < 1, - строго убывает (0 < x₁ < x₂ log_a x₁ > log_a x₂).

4.                 log_a 1 = 0 и log_a a = 1 (a > 0, a ≠ 1).

5.                 Если a > 1, то логарифмическая функция отрицательна при x (0;1) и положительна при x (1;+∞), а если 0 < a < 1, то логарифмическая функция положительна при x  (0;1) и отрицательна при x (1;+∞).

6.                 Если a > 1, то логарифмическая функция выпукла вверх, а если a (0;1) - выпукла вниз. [3]

Утверждение 2. Уравнение log_a f(x) = log_a g(x) (a > 0, a ≠ 1) равносильно одной из систем (очевидно, выбирается та система, неравенство которой решается проще)

	f(x) = g(x),			f(x) = g(x),
	f(x) > 0,			g(x) > 0.

Утверждение 3. Уравнение log_h(x) f(x) = log_h(x) g(x) равносильно одной из систем

	f(x) = g(x),			f(x) = g(x),
	h(x) > 0,			h(x) > 0,
	h(x) ≠ 1,			h(x) ≠ 1,
	f(x) > 0,			g(x) > 0.

Нужно подчеркнуть, что в процессе решения логарифмических уравнений часто используются преобразования, которые изменяют область допустимых значений (ОДЗ) исходного уравнения. Следовательно, могут появиться "чужие" решения или могут быть потеряны решения. Например, уравнения

f(x) = g(x) и log_a f(x) = log_a g(x)

или

log_a [f(x)·g(x)] = b и log_a f(x) + log_a g(x) = b

вообще говоря, неравносильны (ОДЗ уравнений справа уже). [4]

Следовательно, при решении логарифмических уравнений полезно использовать равносильные преобразования. В противном случае, проверка полученных решений является составной частью решения. Более того, необходимо учитывать и преобразования, которые могут привести к потере корней.

Использование определения логарифма. Пример 1. Решить уравнения

a) log2(5 + 3log2(x - 3)) = 3,	c) log(x - 2)9 = 2,
b)	d) log2x + 1(2x2 - 8x + 15) = 2.

Решение. a) Логарифмом положительного числа b по основанию a (a > 0, a ≠ 1) называется степень, в которую нужно возвести число a, чтобы получить b. Таким образом, log_ab = c, b = a^c и, следовательно,

5 + 3log₂(x - 3) = 2³

или

3log₂(x - 3) = 8 - 5, log₂(x - 3) = 1.

Опять используя определение, получим

x - 3 = 2¹, x = 5.  [5]

Проверка полученного корня является неотъемлемой частью решения этого уравнения:

log₂(5 + 3log₂(5 - 3)) = log₂(5 + 3log₂2) = log₂(5 + 3) = log₂8 = 3.

Получим истинное равенство 3 = 3 и, следовательно, x = 5 есть решение исходного уравнения.

b) Аналогично примеру a), получим уравнение

откуда следует линейное уравнение x - 3 = 3(x + 3) с решением x = -6. Сделаем проверку и убедимся, что x = -6 является корнем исходного уравнения.

c) Аналогично примеру a), получим уравнение

(x - 2)² = 9.

Возведя в квадрат, получим квадратное уравнение x² - 4x - 5 = 0 с решениями x₁ = -1 и x₂ = 5. После проверки остается лишь x = 5.

d) Используя определение логарифма, получим уравнение

(2x² - 8x + 15) = (2x + 1)²

или, после элементарных преобразований,

x² + 6x-7 = 0,

откуда x₁ = -7 и x₂ = 1. После проверки остается x = 1. [1]

Рассмотрим использование свойств логарифма. Пример 3. Решить уравнения

a) log3x + log3(x + 3) = log3(x + 24),

b) log4(x2 - 4x + 1) - log4(x2 - 6x + 5) = -1/2

c) log2x + log3x = 1

Решение. a) ОДЗ уравнения есть множество x  (0;+) которое определяется из системы неравенств (условия существования логарифмов уравнения)

	x > 0,
	x+3 > 0,
	x+24 > 0.

Используя свойство P2 и утверждение 1, получим

log3x + log3(x + 3) = log3(x + 24) 		log3x(x + 3) = log3(x + 24), x > 0,			
 x(x + 3) = x + 24, x > 0,	 x2 + 2x - 24 = 0, x > 0,		 x1 = -6, x2 = 4, x > 0,	 x = 4.

b) Используя свойство P3, получим следствие исходного уравнения

откуда, используя определение логарифма, получим

или

x² - 4x + 1 = ¹/₂(x² - 6x + 5),

откуда получаем уравнение

x² - 2x - 3 = 0

с решениями x₁ = -1 и x = 3. После проверки остается лишь x = -1.

c) ОДЗ уравнения: x  (0;+). Используя свойство P5, получим уравнение

log₂x(1 + log₃2) = 1,

откуда или  или log₂x = log₆3. Следовательно,

Подводя итоги несколько слов о показательных уравнениях.

Показательным называется уравнение, в котором неизвестное содержится только в показателе степени при постоянных основаниях.

Простейшим показательным уравнением является уравнение вида

Это уравнение равносильно алгебраическому уравнению

Пример 1. Решить уравнение

.

Представим правую часть уравнения в виде степени с основанием 2:

.

Перейдем теперь к равносильному алгебраическому уравнению:

Если после введения новой переменной  показательное уравнение сводится к алгебраическому, дробно-рациональному или другому уравнению от переменной y, то сначала находят корни этого уравнения, а потом выражают x через y, используя решение простейшего показательного уравнения.

В заключении не мало важным является отметить то, что математика, как и любая другая наука не стоит на месте, вместе с развитием общества меняются и взгляды людей, возникают новые мысли и идеи. И XX век не стал в этом смысле исключением. Появление компьютеров внесло свои корректировки в способы решения уравнений и значительно их облегчило. Но компьютер не всегда может быть под рукой (экзамен, контрольная), поэтому знание хотя бы самых главных способов решения уравнений необходимо знать. Использование уравнений в повседневной жизни – редкость. Они нашли свое применение во многих отраслях хозяйства и практически во всех новейших технологиях.

Список литературы

1.            Корн Г. и Т. Корн. «Справочник по математике для научных работников и инженеров». – М.: Наука, 1970

2.            Курош А.Г. «Курс высшей алгебры» Москва 1975

3.            М. Д. Аксенова. «Энциклопедия для детей». Том 11. Математика. – Аванта+, 1998.

4.            Цыпкин А. Г. Под ред. С. А. Степанова. «Справочник по математике для средней школы». – М.: Наука, 1980

5.            Штейн Е.А. «Большая школьная энциклопедия» том 1; Москва 2004