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第五章 指數與對數及其運算

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Academic year: 2021

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(1)

第五章 指數與對數及其運算

5-1 指數與對數及其運算的意義

指數的定義與運算性質

1. 指數的定義:

(1)正整數指數:設aR

nN

,則

a

n

= a a a × × × L × a

(自乘n次),讀作「an 方」,其中a稱為底數,n稱為指數。

(2)零指數:設aRa ≠0,則

a =

0

1

(3)負指數:設aRa ≠0nN,則 n

1 a

n

a

=

(4)分數指數:設a >0nN mZ,則

1 n n

a = a

m

n m

an = a

2. 指數律:

a >0b >0mnR,則 (1)

a

m

a

n

= a

m n+ (2)

m

m n n

a a

a

=

(3)

( a

m n

) = a

m n×

= ( a

n m

)

(4)

( a b ⋅ )

n

= a

n

b

n (5)

( )

n n

n

a a

b b

=

3. 指數常用求值公式:

(1)平方和公式:

a

2x

+ a

2x

= ( a

x

+ a

x

)

2

− 2

(2)立方和公式:

a

3x

+ a

3x

= ( a

x

+ a

x

)( a

2x

− + 1 a

2x

) = ( a

x

+ a

x

)

3

− 3( a

x

+ a

x

)

(3)立方差公式:

a

3x

a

3x

= ( a

x

a

x

)( a

2x

+ + 1 a

2x

) = ( a

x

a

x

)

3

+ 3( a

x

a

x

)

★ 指數的定義與指數律 ★

化簡下列各式之值:

(1)

2 1

1 2 0

2 3

4 5

+ +

(2) 1 3 4 3 [( ) 81] 27

9

× ÷

(3)5 3

a

×

a

a >0

(1)原式

1 1 4 3 7

2 1 36 +

= =

+

(2)原式

= [(3 )

2 3

× 3 ]

4 4

÷ (3 )

3 3

6 4 4 9

(3

3 )

3

= × ÷

8 9 1

1

3 3 3

3

= ÷ =

=

(3)原式

1 1 1 5 1 1

3 2 5 6 5 6 6

(a a ) (a ) a a

= × = = =

試求下列各式之值:

(1)(233 )2 2+(322 )3 0 (2)[55×(5 ) ]2 3 2 (3)

3

6

8 4 2

×

(1)原式

= (8 9) −

2

+ (9 8) −

0

2 0

( 1) 1 2

= − + =

(2)原式 5 6 2 2

1 [5 5 ] 5

25

= × = =

(3)原式

2 3

3 2 1 3

2 2 3 6 2

1 6

2 2

2 2 4

2

+

= × = = =

(2)

★★ 分數指數律的應用 ★★

試求下列各式之值:

(1)

2

27 3

( )

8 (2)(0.25)2.5 (1)

2 2

3 3 2

27 3 3 3 9

( ) ( ) ( )

8 2 2 4

 

=  = =

 

(2)

5 5

2.5

1

2 2 2

(0.25) ( ) (2 ) 4

= =

2

5

32

= =

試求下列各式之值:

(1)

1

16 4

( )

81 (2)(0.36)0.5 (1)

1

1 4

4 4

16 2 2

( ) ( )

81 3 3

 

=  =

 

(2)

1 1

0.5 9 2 3 2 2

(0.36) ( ) ( )

25 5

 

= =  

 

3

1

5 ( ) 5 3

=

=

★★ 指數求值公式應用 ★★

已知

a

x+

a

x =5,試求下列各小題之值:

(1)

a

2x

+ a

2x (2)

a

3x+

a

3x (1)

a

2x

+ a

2x

= ( a

x

+ a

x

)

2

− 2

25 2 23

= − =

(2)

a

3x

+ a

3x

= ( a

x

+ a

x

)

3

− × 3 ( a

x

+ a

x

)

125 15 110

= − =

已知

a

x+

a

x =3,試求

3 3

2 2

x x

x x

a a

a a

+

+ 之值。

原式=

3 2

( ) 3 ( )

( ) 2

x x x x

x x

a a a a

a a

+ − × +

+ −

27 9 18

9 2 7

= − =

★★★ 指數求值公式應用 ★★★

a >0,已知

a

2x =2,試求下列各式之值:

(1)

a

3x+

a

3x (2)

3x 3x

x x

a a

a a

+

+ (1)∵

a

2x

= 2

( a

x

)

2

= 2

a = ±x 2(負不合)

∴ 原式 ( )3 ( )3 ( 2)3 ( 1 )3 2

x x

a a

= + = +

1 9 2

2 2 2 2 4

= + =

(2)原式 (

x x

a +a

=

2 2

)( x 1 x)

x x

a a

a a

− + +

1 3

2 1 2 2

= − + =

a >0,已知

a

2x =3,試求下列各式之值:

(1)

a

3x

a

3x (2)

3x 3x

x x

a a

a a

(1)∵

a

2x

= 3

( a

x

)

2

= 3

a = ±

x

3

(負不合)

∴ 原式 ( )3 ( )3 ( 3)3 ( 1 )3 3

x x

a a

= − = −

1 26 3

3 3 3 3 9

= − =

(2)分子分母同乘

a

x

∴ 原式

2

4 2

2

3 1 3 13

1 3 1 3

x x

x

a a

a

= − = =

− −

(3)

對數的定義與運算性質

1. 對數的定義:

(1)定義:設a >0a ≠1b >0,若存在唯一實數x,滿足

a

x =

b

時,我們以符號 loga

b 表

x,則 loga

b 稱為以

a為底數,b為真數的對數。

(2)指數與對數的轉換:

log

a

b = xa

x

= b

log

a

b

有意義 0 , 1

0

a a

b

 > ≠



 >

底數

真數

2. 對數的運算性質: : : :

abc為異於 1 的正實數, M 、N為正實數, r 、s為實數,則 (1)

log 1 0

a

=

log

a

a = 1

(2)

log

a

MN = log

a

M + log

a

N

(3)

log

a

M log

a

log

a

M N

N = −

1

loga loga

N

N

= −

(4)

log

a

M

s

= s log

a

M ; 1

log

ar

M log

a

M r

= ; log

r

log

s a a

M s M

r

= (

r ≠0

(5)

log

log log

b a

b

M M

a

=

(換底公式)

(6)

log

a

b × log

b

c = log

a

c

(連鎖律) logab×logba=1 1

logab logb a

=

(7)

a

logaM

= M = log

a

a

M

★ 對數的定義 ★

試求下列x之值:

(1) 1

2

log

x = −

3 (2) 3 log 8

x =2

(1)∵

1

3

( ) 2

= x

x = (2 )

1 3

= 2

3

= 8

(2)∵

3

2

8 2

3

x = =

2

3 3 2

(2 ) 2 4

x = = =

試求下列x之值:

(1)log9

x =

0.5 (2) 1

log 4

x16 = −

(1)∵

9

0.5

= x

1 2 2

(3 ) 3

x = =

(2)∵ 4

1

4

16 2 x

= =

x =2

(4)

中 ★ 對數的運算性質 ★

試求 10 1 10 10

log log 1 log 10 10

+ + 之值。

原式

1

1 0 2

10 10 10

log 10

log 10 log 10

= + +

1 1 0 2

= − + +

1 2

= −

試求 2 1 5 3

3

log 1 log 9 log 25 8

+ + 之值。

原式 1

2

3 2 3

2 3 5

log 2 log

3 log 5

=

+ +

2 3 2 3

= − − +

13 3

= −

★★ 對數的運算性質 ★★

試求下列各式之值:

(1)log 12 log 5 log 156 6 + 6 (2)log 20 log 45 2 log 310 + 10 10

(1)原式 6

12 15

6

log ( ) log 36 2

5

= × = =

(2)原式

= log 20 log 45 log 9

10

+

10

10

10 10

20 45

log ( ) log 100 2 9

= × = =

試求下列各式之值:

(1)log 8 log 12 log 64 + 4 4 (2)log 36 log 6 3log 23 + 3 3

(1)原式 4

8 12

4

log ( ) log 16 2

6

= × = =

(2)原式

= log 36 log 6 log 8

3

+

3

3

3 3

log ( 36 6 ) log 27 3 8

= × = =

★ 連鎖律 ★

試求(log 5)(log 7)(log 9) 之值。 3 5 7

原式

= log 9

3

= 2

試求(log 9)(log 8) 之值。 2 3

原式

= (log 3 )(log 2 )

2 2 3 3

2 3

(2log 3)(3log 2)

=

2 3

2 3 (log 3) (log 2)

= × × ×

6

=

(5)

★★ 連鎖律 ★★

試求(log 25 log 5)(log 9 log 27)3 + 9 25 5 之值。

原式 2 2

2 2 3

3 3 5 5

(log 5 log 5)(log 3 log 3 )

= + −

3

1

3 5 5

(2log 5 log 5)(log 3 3log 3) 2

= + −

5

3 5

( log 5)( 2log 3) 2

= −

= −5

試求(log 9 log 27)(log 4 log 2)2 + 4 3 + 9 之值。

原式 2 2

2 3 2

2 2 3 3

(log 3 log 3 )(log 2 log 2)

= + +

2

3

2 3

1

3

(2log 3 log 3)(2log 2 log 2)

2 2

= + +

7

2

5

3

( log 3)( log 2)

2 2

=

35

4

=

★★ 對數的運算性質 ★★

試求下列各式之值:

(1)9log 53 (2)

2 2

log 4 log 5

5 (3) 2

1 log 7

7

(1)原式

2

32 9

log 5 log 25

9 9 25

= = =

(2)原式

= 5

log 45

= 4

(3)原式

= 7

log 27

= 2

試求下列各式之值:

(1)4log 32 (2)

2 2

log 5 log 3

9 (3)5log 35 (1)原式

2

22 4

log 3 log 9

4 4 9

= = =

(2)原式

= 9

log 53

= 9

log 259

= 25

(3)原式 5

log 1

3

1

5 3

= =

★★ 對數的運算性質 ★★

a =

log 210

b =

log 310 ,試以ab表示:

(1)log 6 (2)10 log 5 (3)10 log 18 。 12 (1)原式

= log (2 3)

10

× = log 2 log 3

10

+

10

a b

= +

(2)原式 10

10

10 10

log ( ) log 10 log 2 2

= = −

1 a

= −

(3)原式

2

10 10

2

10 10

log 18 log (2 3 ) log 12 log (2 3)

= = ×

×

10 10

10 10

log 2 2log 3 2 2log 2 log 3 2

a b

a b

+ +

= =

+ +

a =

log 210

b =

log 310 ,試以ab表示:

(1)log 15 (2)10 log 72 。 20 (1)原式 10

10

log (3 ) 2

= ×

10 10 10

log 3 log 10 log 2

= + −

1

b a

= + −

(2)原式

3 2

10 10

10 10

log 72 log (2 3 ) log 20 log (2 10)

= = ×

×

10 10

10 10

3log 2 2log 3 log 2 log 10

= +

+ 3 2

1

a b

a

= +

+

(6)

★★★ 指數對數的應用 ★★★

log 23 =

x

,試求 27x+9x之值。

log 2

3

= x

3

x

= 2

∴ 原式

= (3 )

3 x

+ (3 )

2 x

= (3 )

x 3

+ (3 )

x −2

1 33

8 4 4

= + =

log 32 =

x

,試求 4x+2x之值。

原式

= 4

log 32

+ 2

log 32 4 2

log 1

log 9 3

4 2

= +

1 28 9 3 3

= + =

★★★ 指數對數的應用 ★★★

設 72x =89y =4,試求3 2

x y

之值。

3 2

72 8 2

9 4 2

x y

 = =

 = =

3

2

72 2 9 2

x

y

 =

  =

LL LL

得:

72 3 2

9 2

x y

=

3 2

23 2x y

=

3 2 x y 3

− =

設 2x =3y =6,試求1 1

x y

+ 之值。

2

x

= 6

x = log 6

2

1

6

log 2 x

=

3

y

= 6

y = log 6

3

1

6

log 3 y

=

6 6

1 1

log 2 log 3 x y

+ = +

log 6 1

6

= =

( ) 1. 判斷下列何者有意義? (A)log 0 (B)2 log 2 (C)1 log( 2) ( 2) (D)log 1。 2 ( ) 2. 若[81×(43×2 ) ]2 2 x(25+3 )7 0 =15,則x = (A)4

5 (B) 4 5

(C)5

4 (D) 5 4

( C ) 3. 若log 3 3x =3,則x = (A) 9 (B)1

9 (C) 3 (D) 1 3 ( ) 4. 試求(log 25 log 0.2)(log 2 log 0.5)2 + 8 5 + 25 = (A)5

6 (B)2

3 (C)6

7 (D)7 5 ( B ) 5. 求 2 1 2 2

2 log 2 log 3 log 2 3 2

+ = (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4。

( ) 6. 求 log 23 log 9 log 54 2

9 +2 + = (A) 9 (B) 12 (C) 15 (D) 19。

7. 設a =4,則

1

1 0 2

a

+

a

+

a

+

a

=

29 4

* 8. 設a >0mn為正整數且互質,若

a

3

a

24

a

3 =m

a

n ,則m n− = 1

*題目難度較高

(7)

9. 化簡 32 0.6 ( )

243

=

27

8

10. 設a >0,若

a

2x =3,則

x x

x x

a a a a

+ =

2

11. 若

a

x+

a

x =3,則(

a

2x+1)(

a

2x+1)= 9 12. 設2.5y =0.25x =1000,則1 1

y x

=

1 3

*13. 若log (4x

x

2)有意義,則x之範圍為 0<x<2x1 14. 化簡(log 3)(log 4)(log 5)2 3 4 L(log 64) =63 6

15. 化簡 2 1 2 2 2 3 2 63 log log log log

2 3 4 64

+ + +L+ = 6

16. 化簡log (log (log 64)) =2 3 4 0 17. 化簡 5 25

5 125

log 4 log 2 log 8 log 2

+ =

+

3 4

18. 設 10

10

log 3

log 2 =

x

,則 4x = 9

19. 求log ( 6 2 5 ) log ( 6 2 5 )2 + + 2 − = 2

*20. 求log ( 6 2 52 + − 6 2 5 )− = 1 21. 設log 32 =

a

log 53 =

b

,則以ab表示

log 15 =6

1 a ab

a +

+

22. 設a >0a ≠1,若

a = ,

x 3

a =

y 7,則以x﹑ y 表示 log 21a = x+y 23. 設log 210 =

a

log 310 =

b

,則102a b− +1=

40

3

24. 設a >0a ≠1,若 log 3 log 9 2a + a = ,則a =

3 3

25. 設a >0a ≠1,若 1

3log 2 log 16 4

a +4 a = ,則a = 2

*26. 設log 32 =

a

,則(1)log 6 =2 1 a+ ,(2)log 3 =6

1

a a

+

*27. 設mn為異於 1 的正實數,若 3

3

log 2 log

m n

= ,則 (1) logn

mn =

3 ,(2) logmn

n = 1

3

,(3)logm

n =

2 1 28. 設ab為正整數,若

20 20

log 2 log 5 2

a

+

b

= ,則a+b= 6

*29. 設log 53 =

x

,則

1

3x+5x =

16

5

(8)

5-2 指數函數及其圖形

指數函數的定義與圖形

1. 指數函數的定義:

a >0a ≠1,對任意實數x,函數

y

=

f x

( )=

a

x稱為以a為底的指數函數。

由指數律:f x( 1+x2)=ax1+x2 =ax1ax2 = f x f x( ) (1 2)

2. 指數函數的圖形:

(1)

a >1

時: y

=

f x

( )=

a

x (2)

0<a<1

時: y

=

f x

( )=

a

x

3. 指數函數圖形的特性:

(1)函數

y

=

a

x的圖形恆在x軸的上方,即指數函數的值必為正數(

y

=

a

x>0 (2)函數

y

=

a

x的圖形恆過點

(0 , 1) ,且以

x軸為漸近線。

(3)當a >1時,

y

=

f x

( )=

a

x為遞增函數,即

x

1<

x

2

a

x1 <

a

x2 (4)當0<a<1時,

y

=

f x

( )=

a

x為遞減函數,即

x

1<

x

2

a

x1 >

a

x2 (5)函數

y

=

a

x 1

( )x

y a

= 的圖形對稱於

y

★★ 指數函數的性質 ★★

已知 ( ) 3

f x =

x,若 ( ) 2

f a =

且 ( ) 4

f b = ,

試求 (

f a b

+ )之值。

f a = ( ) 3

a

= 2

f b = ( ) 3

b

= 4

f a b ( + ) = 3

a b+

= 3 3

a

b =2 4× =8

已知 ( ) 5

f x =

x,若 ( ) 3

f a = 且 f b = ,試求

( ) 6 ( )

f a b

之值。

f a = ( ) 5

a

= 3

f b = ( ) 5

b

= 6

5

( ) 5

5

a a b

f a b − =

=

b

3 1 6 2

= =

★ 指數函數比較大小 ★

試比較下列abc之大小:

(1)

a =

(1.1)1.1

b =

(1.1)0.5

c

=(1.1)1.1 (2)

a =

(0.5)1.1

b =

(0.5)0.5

c

=(0.5)0.5

(1)∵ 1.1>0.5> −1.1且底數1.1 1> 為遞增

a>b>c

(2)∵ 1.1>0.5> −0.5且底數0.5 1< 為遞減

a<b<c

試比較

a =

5

b =

325

c =

4125之大小。

1

5 52

a = =

2 325 53

b = =

3 4125 54

c = =

3 2 1 4 3 2

> >

且底數5 1> 為遞增

c>b>a

(9)

指數方程式與指數不等式

1. 指數方程式:

(1)方程式中,指數含有未知數x的方程式,稱為指數方程式。

(2)設a >0a ≠1

a

f x( )

= a

g x( )

f x ( ) = g x ( )

(3)若指數方程式為一元二次(高次)方程式的型式,則以代數代換法解之。

2. 指數不等式:

(1)當a >1時,

a

f x( )

< a

g x( )

f x ( ) < g x ( )

(符號相同) (2)當0<a<1時,

a

f x( )

< a

g x( )

f x ( ) > g x ( )

(符號相反)

★ 指數方程式 ★

1 3 2 3 ( ) 2

4

x x+

= ,試求x之值。

2 3 2 3

(2 ) x =2x+

22x+6 =2x2+3

− 2 x + 6 = x

2

+ 3

x

2

+ 2 x − 3 0 =

( x + 3)( x − 1) = 0

x = −3或 1

3 3 7 7 7 3 ( ) ( )

7 3

x x

= ,試求x之值。

3 7 7 3 (7 3)

3 7 3

( ) ( ) ( )

7 3 7

x x x

= =

3 x − 7 = − (7 x − 3)

x =1

★★ 指數方程式(一元二次方程式型式) ★★

解方程式22x+19 2× x+4=0 原式 ⇒

2

2x

× 2

1

− × 9 2

x

+ 4 = 0

2 (2 ) ×

x 2

− × 9 2

x

+ 4 = 0

(2

x

− 4)(2 2 ×

x

− 1) = 0

2

x

= 4

1

2 2

x

=

x =2

− 1

解方程式22x6 2× x16=0

t = 2

x

> 0

原式 ⇒

t

2

− 6 t − 16 = 0

( t − 8)( t + 2) = 0

t =8t = −2(不合)

2

x

= 8

x =3

★★ 指數不等式 ★★

1 1

16 ( ) 8

x x

> ,試求x之範圍。

原式 ⇒

(2 )

4 x1

> (2 )

3 x

2

4x4

> 2

3x 4x−4>3x

x >4

解不等式 1 1 1 ( ) ( )

2 4

x+ x

<

原式 ⇒ 1 2

1 1

( ) ( )

2 2

x+ x

<

x+ >1 2x x <1

(10)

★★ 指數不等式 ★★

解不等式(0.2)x23x+4>0.04 原式 ⇒ (0.2)x23x+4 >(0.2)2

x

2

− 3 x + 4 < 2

x

2

− 3 x + 2 0 <

( x − 1)( x − 2) < 0

1<x<2

2 4 1

5 125

x x

< ,試求x之範圍。

原式 ⇒

5

x24x

< 5

3

x

2

− 4 x < − 3

x

2

− 4 x + 3 0 <

( x − 1)( x − 3) < 0

1<x<3

( B ) 1. 下列何者可能為函數

y

=2x1之圖形?

(A) (B) (C) (D)

2. 設 1 3 ( )2

a =

1

b = 2c =1 1 3 ( )2

d

= ,則abcd之大小順序為 d >c>b>a 3. 設

a =

(1.2)3

b =

1.2c =1

d

=(1.2)3,則abcd之大小順序為 a>b>c>d 4. 設

a =

3

b =

4 27c = 3.33,則abc之大小順序為 b>c>a

5. (1)若 3 3 1 9 3 ( ) ( )

5 25

x+ x

= ,則x =7 (2)若 3 1 4 ( )2 9

x+ = ,則x =3

(3)若27x = .3 3,則x =

1

2

(4)若27x= 33,則x =

1 9

(5)若 1 2

( )4 8

x = ,則x =

5

4

(6)若 2 7 1

5 125

x − = ,則x =

2 或 − 2

6. 方程式32x4 3× x45=0之解為 2 7. 方程式4x5 2× x+1+16=0之解為

1 或 3

8. 不等式 2 4 1

3 ( )

27

x x

> 之解為

x > 1 或 x < − 4

9. 不等式(0.04)3x−5 >0.008之解為

13

x < 6

10. 設函數

y =

2x之圖形與兩直線

y =

2

y = 交於 A 、 B 兩點,則

8

(1)直線 AB 之斜率為 3 (2) A 、 B 兩點的距離為

2 10

11. 設 ( )

f x =

2x,已知 ( ) 3

f a = 、 f b = ,則(1)

( ) 5

f a +

( 2)= 12 ,(2) (

f a b

)=

3

5

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