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a∈R,
n ∈ N
,則a
n= a a a × × × L × a
(自乘n次),讀作「a的n次 方」,其中a稱為底數,n稱為指數。(2)零指數:設a∈R,a ≠0,則
a =
01
。(3)負指數:設a∈R,a ≠0,n∈N,則 n
1 a
na
−
=
。(4)分數指數:設a >0,n∈N, m∈Z,則①
1 n n
a = a ②
m
n m
an = a 。
2. 指數律:
設a >0,b >0,m、n∈R,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 36 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)(23−3 )2 2+(32−2 )3 0 (2)[55×(5 ) ]−2 3 2 (3)
3
6
8 4 2
× 。
(1)原式
= (8 9) −
2+ (9 8) −
02 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
+ −
= × = = =
★★ 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
532
= =
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
15 ( ) 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 ★★★
設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
= − + =
設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 = ±
x3
(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
−
−
= − = =
− −
對數的定義與運算性質
1. 對數的定義:
(1)定義:設a >0、a ≠1且b >0,若存在唯一實數x,滿足
a
x =b
時,我們以符號 logab 表
示x,則 logab 稱為以
a為底數,b為真數的對數。(2)指數與對數的轉換:
log
ab = x ⇔ a
x= b
。log
ab
有意義 ⇔ 0 , 10
a a
b
> ≠
>
底數
真數 。
2. 對數的運算性質: : : :
設a、b、c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
aa = 1
。(2)
log
aMN = log
aM + log
aN
。 (3)log
aM log
alog
aM N
N = −
; 1loga loga
N
N
= − 。(4)
log
aM
s= s log
aM ; 1
log
arM log
aM r
= ; log
rlog
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
ab × log
bc = log
ac
(連鎖律)。 logab×logba=1 ⇔ 1logab logb a
= 。
(7)
a
logaM= M = log
aa
M。★ 對數的定義 ★
試求下列x之值:
(1) 1
2
log
x = −
3 (2) 3 log 8x =2。
(1)∵
1
3( ) 2
−= x
∴
x = (2 )
−1 −3= 2
3= 8
(2)∵3
2
8 2
3x = =
∴
2
3 3 2
(2 ) 2 4
x = = =
試求下列x之值:
(1)log9
x =
0.5 (2) 1log 4
x16 = − 。
(1)∵
9
0.5= x
∴
1 2 2
(3 ) 3
x = =
(2)∵ 4
1
416 2 x
−= =
−∴ x =2
中 ★ 對數的運算性質 ★
試求 10 1 10 10log 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
6log ( ) log 36 2
5
= × = =
(2)原式
= log 20 log 45 log 9
10+
10−
1010 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
4log ( ) log 16 2
6
= × = =
(2)原式
= log 36 log 6 log 8
3+
3−
33 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 32 3
(2log 3)(3log 2)
=
2 3
2 3 (log 3) (log 2)
= × × ×
6
=
★★ 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 31
3(2log 3 log 3)(2log 2 log 2)
2 2
= + +
7
25
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)5−log 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 5log 1
3
1
5 3
= =
★★ 對數的運算性質 ★★
設
a =
log 210 ,b =
log 310 ,試以a、b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+
10a b
= +
(2)原式 10
10
10 10log ( ) 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
+ +
= =
+ +
設
a =
log 210 ,b =
log 310 ,試以a、b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
= +
+
★★★ 指數對數的應用 ★★★
設log 23 =
x
,試求 27x+9−x之值。∵
log 2
3= x
⇒3
x= 2
∴ 原式
= (3 )
3 x+ (3 )
2 −x= (3 )
x 3+ (3 )
x −21 33
8 4 4
= + =
設log 32 =
x
,試求 4x+2−x之值。原式
= 4
log 32+ 2
−log 32 4 2log 1
log 9 3
4 2
= +
1 28 9 3 3
= + =
★★★ 指數對數的應用 ★★★
設 72x =8,9y =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
①
②
①
②
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
6log 2 x
=
3
y= 6
⇒y = log 6
3 ⇒1
6log 3 y
=
6 6
1 1
log 2 log 3 x y
+ = +
log 6 1
6= =
( D ) 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 ( A ) 2. 若[8−1×(43×2 ) ]−2 2 x−(2−5+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。 ( A ) 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。
( D ) 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 >0,m、n為正整數且互質,若
a
.3a
2.4a
3 =ma
n ,則m n− = 1 。*題目難度較高
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 1y x
− =
1 3
。*13. 若log (4x −
x
2)有意義,則x之範圍為 0<x<2且x≠1 。 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 1010
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a﹑b表示log 15 =6
1 a ab
a +
+
。22. 設a >0且a ≠1,若
a = ,
x 3a =
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 >0且a ≠1,若 log 3 log 9 2a + a = ,則a =
3 3
。 25. 設a >0且a ≠1,若 13log 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 =61
a a
+
。*27. 設m、n為異於 1 的正實數,若 3
3
log 2 log
m n
= ,則 (1) logn
mn =
3 ,(2) logmnn = 1
3
,(3)logmn =
2 1 。 28. 設a、b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
3−x+5x =
16
5
。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:
設a >0,a ≠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 =ax1.ax2 = f x f x( ) (1 2)。
2. 指數函數的圖形:
(1)
當
a >1時: y
=f x
( )=a
x (2)當
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與 1( )x
y a
= 的圖形對稱於
y 軸
。★★ 指數函數的性質 ★★
已知 ( ) 3
f x =
x,若 ( ) 2f a =
且 ( ) 4f 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 ( ) 3f 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 − =
−=
b3 1 6 2
= =
★ 指數函數比較大小 ★
試比較下列a、b、c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
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 >0,a ≠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 ★
若 1 3 2 3 ( ) 2
4
x− x+
= ,試求x之值。
2 3 2 3
(2 )− x− =2x+
⇒ 2−2x+6 =2x2+3 ⇒
− 2 x + 6 = x
2+ 3
⇒
x
2+ 2 x − 3 0 =
⇒( x + 3)( x − 1) = 0
⇒ x = −3或 1
若 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+1−9 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
或1
2 2
x
=
∴ x =2或
− 1
解方程式22x−6 2× x−16=0。 令
t = 2
x> 0
原式 ⇒
t
2− 6 t − 16 = 0
⇒( t − 8)( t + 2) = 0
⇒ t =8或t = −2(不合)
∴
2
x= 8
⇒ x =3★★ 指數不等式 ★★
若 1 1
16 ( ) 8
x− −x
> ,試求x之範圍。
原式 ⇒
(2 )
4 x−1> (2 )
−3 −x ⇒2
4x−4> 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
★★ 指數不等式 ★★
解不等式(0.2)x2−3x+4>0.04。 原式 ⇒ (0.2)x2−3x+4 >(0.2)2
⇒
x
2− 3 x + 4 < 2
⇒x
2− 3 x + 2 0 <
⇒
( x − 1)( x − 2) < 0
⇒ 1<x<2若 2 4 1
5 125
x− x
< ,試求x之範圍。
原式 ⇒
5
x2−4x< 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
=2x−1之圖形?(A) (B) (C) (D) 。
2. 設 1 3 ( )2
a =
、 1b = 2、c =1、 1 3 ( )2
d
= − ,則a、b、c、d之大小順序為 d >c>b>a 。 3. 設a =
(1.2)3、b =
1.2、c =1、d
=(1.2)−3,則a、b、c、d之大小順序為 a>b>c>d 。 4. 設a =
3、b =
4 27、c = 3.33,則a、b、c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 15 125
x − = ,則x =
2 或 − 2
。6. 方程式32x−4 3× x−45=0之解為 2 。 7. 方程式4x−5 2× x+1+16=0之解為
1 或 3
。 8. 不等式 2 4 13 ( )
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