4.3 对数

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本节的知识树

1 概念 · 最深 1 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 18 道

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

上一章我们从 y=1.11xy = 1.11^x 里已知指数求幂;这一节问反过来的问题:已知底数和幂,求指数。 “经过多少年游客人次变成 22 倍”就是解 1.11x=21.11^x = 2——这个 xx 用现有的记号写不出来, 于是给它造一个新记号,叫做对数。

所以这一节没有新的运算,只有一个新记号和它与指数的互化。整节的核心是一行:

ax=N  ⟺  x=log⁡aN(a>0, a≠1).a^x = N \iff x = \log_a N \qquad (a>0,\ a \neq 1).

左边是指数式,右边是对数式,说的是同一件事。会做与不会做的差别,全在能不能自如地 在这两种写法之间来回换。

一、定义与三个位置

如果 ax=Na^x = N(a>0a>0 且 a≠1a \neq 1),那么数 xx 叫做以 aa 为底 NN 的对数,记作

x=log⁡aN,x = \log_a N,

其中 aa 叫底数,NN 叫真数。

三个数在两种写法里换了位置,这是最容易记混的地方,用一张表钉住:

底数指数幂 / 真数
指数式 ax=Na^x = NaaxxNN
对数式 x=log⁡aNx = \log_a Naa等号左边的 xxNN

一句话记法:底数不动,指数与幂换个位置。 写对数式时先把底数抄下来(写在 log⁡\log 的右下角), 再把幂写成真数,剩下的那个就是答案。

两个专用记号:

  • 以 1010 为底的对数叫常用对数,log⁡10N\log_{10} N 记作 lg⁡N\lg N;
  • 以无理数 e=2.71828⋯\mathrm{e} = 2.71828\cdots 为底的对数叫自然对数,log⁡eN\log_{\mathrm{e}} N 记作 ln⁡N\ln N。

这两个记号在后面几乎不再写全,见到 lg⁡\lg 就想”底是 1010“,见到 ln⁡\ln 就想”底是 e\mathrm{e}”。

二、三条限制,各有各的理由

对数式 log⁡aN\log_a N 里的三处限制不是形式主义,每一条都能一句话解释:

① a>0a > 0。 底数为负时指数幂本身就没有一致的意义(见 §4.1:(−8)13(-8)^{\frac13} 与 (−8)26(-8)^{\frac26} 会算出两个不同的数)。

② a≠1a \neq 1。 若 a=1a=1,则 1x≡11^x \equiv 1:真数是 11 时 xx 取任何值都行(对数不唯一), 真数不是 11 时压根无解(对数不存在)。两种情形都让”对数”不成其为一个数。

③ N>0N > 0,即负数和 00 没有对数。 因为 a>0a>0 时 ax>0a^x > 0 恒成立—— 指数函数的值域是 (0,+∞)(0,+\infty),取不到 00,更取不到负数。所以 ax=Na^x = N 在 N⩽0N \leqslant 0 时无解。

由定义还能直接读出两个值(把它们当公式记住):

log⁡a1=0,log⁡aa=1.\log_a 1 = 0, \qquad \log_a a = 1.

理由各一行:a0=1a^0 = 1,所以以 aa 为底 11 的对数是 00;a1=aa^1 = a,所以以 aa 为底 aa 的对数是 11。 注意这两条对任何合法的底数都成立,与 aa 具体是几无关——log⁡0.41=0\log_{0.4} 1 = 0、lg⁡10=1\lg 10 = 1、 ln⁡e=1\ln \mathrm{e} = 1 都是它们。

再补两条同样直接、后面常用的:

alog⁡aN=N (N>0),log⁡aa b=b.a^{\log_a N} = N \ (N>0), \qquad \log_a a^{\,b} = b.

第一条读作”以 aa 为底 NN 的对数作 aa 的指数,还原成 NN“;第二条读作”aba^b 的对数就是 bb”。 两条都只是把定义正反各念一遍。

三、互化:这一节唯一的动作

动作一:指数式 → 对数式。 ax=Na^x = N 写成 log⁡aN=x\log_a N = x。 例如 54=6255^4 = 625 写成 log⁡5625=4\log_5 625 = 4;2−6=1642^{-6} = \frac{1}{64} 写成 log⁡2164=−6\log_2 \frac{1}{64} = -6; (13)m=5.73\left(\frac13\right)^m = 5.73 写成 log⁡135.73=m\log_{\frac13} 5.73 = m。

动作二:对数式 → 指数式。 log⁡aN=x\log_a N = x 写成 ax=Na^x = N。 例如 log⁡1216=−4\log_{\frac12} 16 = -4 写成 (12)−4=16\left(\frac12\right)^{-4} = 16;lg⁡0.01=−2\lg 0.01 = -2 写成 10−2=0.0110^{-2} = 0.01; ln⁡10=2.303\ln 10 = 2.303 写成 e2.303=10\mathrm{e}^{2.303} = 10。

动作三:求值与解方程,一律先化成指数式。 这是本节所有计算题的统一做法,分两小类:

  • 未知数在真数位置(如 log⁡64x=−23\log_{64} x = -\frac23):直接写成 x=64−23x = 64^{-\frac23}, 再用 §4.1 的分数指数幂算出来:64−23=(43)−23=4−2=11664^{-\frac23} = (4^3)^{-\frac23} = 4^{-2} = \frac{1}{16}。
  • 未知数在底数位置(如 log⁡x8=6\log_x 8 = 6):写成 x6=8x^6 = 8, 再解这个方程——并且要用底数的限制筛根:x>0x>0 且 x≠1x \neq 1,故 x=816=(23)16=212=2x = 8^{\frac16} = (2^3)^{\frac16} = 2^{\frac12} = \sqrt2(负根被 x>0x>0 排除)。
  • 未知数在指数位置(如 lg⁡100=x\lg 100 = x):写成 10x=100=10210^x = 100 = 10^2, 两边化成同底的幂再比指数,得 x=2x=2。

第三小类里”化成同底再比指数”用到的是指数函数的单调性(同底的幂相等则指数相等), 它是后面解一切指对数方程的通用手段。

四、易错清单

按失分频率排:

  1. 真数忘了必须为正。 含参数的题里,”log⁡a(x−1)\log_a(x-1) 有意义”给出的条件是 x>1x>1, 这一条常常就是答案的一半。
  2. 底数忘了 a>0a>0 且 a≠1a \neq 1。 未知数在底数位置时必须用它筛根。
  3. 互化时把底数与真数写反。 记”底数不动”,先抄底数再说。
  4. lg⁡\lg 与 ln⁡\ln 混。 lg⁡\lg 底是 1010,ln⁡\ln 底是 e\mathrm{e}。
  5. 把 log⁡a(MN)\log_a(MN) 当成 log⁡aM⋅log⁡aN\log_a M \cdot \log_a N。 对数的运算性质是下一小节的事, 本节还没有任何”拆开”的公式——这一节能用的只有定义。
  6. 算 log⁡0.41\log_{0.4} 1 之类时被底数的样子吓住。 log⁡a1=0\log_a 1 = 0 对一切合法底数成立。

五、这一节考过的真题(怎么用它们)

页面下方”考过本节的真题”那一段是构建期从知识图谱派生出来的完整清单,这里只说读的顺序:

  • 先做 2015 年第 12 题(a=log⁡43a=\log_{4}3,求 2a+2−a2^{a}+2^{-a}):全节最短的一道, 却把本节的全部内容用了一遍——a=log⁡43a=\log_{4}3 不是一个待算的数,它就是 4a=34^{a}=3 这句话。 认出这一点,aa 的数值(约 0.790.79)从头到尾都不必碰;认不出,就只能去按计算器, 再也回不到精确值。「对数是指数的另一种写法」这句话,这道题是它最干净的一次考法;
  • 再做 2022 年第 7 题(指对数互化求值):题面给的是指数条件、问的是另一个指数式的值, 或者反过来。做法就是第三节的两个动作来回换。这道题是本节最直接的一次使用;
  • 再看 2025 年第 8 题(比较几个指数式、对数式的大小):常用手段是取对数, 把乘幂的比较变成乘法的比较——用的正是”指数与对数说的是同一件事”这一条;
  • 然后是 2023 年第 19 题(含参函数 f=a(ex+a)−xf = a(\mathrm{e}^x+a)-x 的单调性与不等式) 与 2022 年第 22 题(过一点作三条切线):这两道里对数出现在解方程与定义域那两步上—— 压轴题里对数很少是主角,但漏掉”真数为正”就会丢掉整段的定义域讨论。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

本节课本习题共 3 道,都在第 130 页的「练习」里,逐题全做。 本节没有开放式的实习作业或方案设计,因此没有不收的题。

三道题练的是同一件事——指数式与对数式的互化,依据只有一条:

ax=N  ⟺  x=log⁡aN(a>0, a≠1, N>0).a^x = N \iff x = \log_a N \qquad (a>0,\ a\neq 1,\ N>0).

每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 130 页)第 1 题

  1. 把下列指数式写成对数式,对数式写成指数式:

(1) 23=8;2^{3}=8;

(2) e3=m;e^{\sqrt{3}}=m;

(3) 27−13=13;27^{-\frac{1}{3}}=\frac{1}{3};

(4) log⁡39=2;\log_{3}9=2;

(5) lg⁡n=2.3;\lg n=2.3;

(6) log⁡3181=−4.\log_{3}\frac{1}{81}=-4.

互化的口诀是底数不动,指数与幂(真数)换个位置。前三小问是指数式,写成对数式; 后三小问是对数式,写成指数式。

(1) 23=82^3 = 8 中底数是 22、指数是 33、幂是 88,所以

log⁡28=3.\log_2 8 = 3.

(2) e3=m\mathrm{e}^{\sqrt3} = m 中底数是 e\mathrm{e}、指数是 3\sqrt3、幂是 mm,所以

log⁡em=3,即ln⁡m=3.\log_{\mathrm{e}} m = \sqrt3, \qquad \text{即} \qquad \ln m = \sqrt3.

(以 e\mathrm{e} 为底的对数写成 ln⁡\ln,两种写法都对,习惯上写后者。)

(3) 27−13=1327^{-\frac13} = \frac13 中底数是 2727、指数是 −13-\frac13、幂是 13\frac13,所以

log⁡2713=−13.\log_{27} \frac13 = -\frac13.

(4) log⁡39=2\log_3 9 = 2 中底数是 33、真数是 99、对数是 22,所以

32=9.3^2 = 9.

(5) lg⁡n=2.3\lg n = 2.3 就是 log⁡10n=2.3\log_{10} n = 2.3,底数是 1010、真数是 nn、对数是 2.32.3,所以

102.3=n.10^{2.3} = n.

(6) log⁡3181=−4\log_3 \frac{1}{81} = -4 中底数是 33、真数是 181\frac{1}{81}、对数是 −4-4,所以

3−4=181.3^{-4} = \frac{1}{81}.

核一遍 (6):3−4=134=1813^{-4} = \frac{1}{3^4} = \frac{1}{81},与题面给的真数一致 ✓。 (3) 也核一遍:27−13=12713=1273=1327^{-\frac13} = \frac{1}{27^{\frac13}} = \frac{1}{\sqrt[3]{27}} = \frac13 ✓。

练习(第 130 页)第 2 题

  1. 求下列各式的值: (1) log⁡525\log_{5}25 ; (2) log⁡0.41\log_{0.4}1 ; (3) ln⁡1e\ln \frac{1}{e} ; (4) lg⁡0.001\lg 0.001 .

统一做法:设它等于 xx,化成指数式,两边写成同底的幂,再比指数。

(1) 设 log⁡525=x\log_5 25 = x,则 5x=25=525^x = 25 = 5^2,故 x=2x = 2:

log⁡525=2.\log_5 25 = 2.

(2) 底数 0.40.4 满足 0.4>00.4>0 且 0.4≠10.4 \neq 1,是合法底数。设 log⁡0.41=x\log_{0.4} 1 = x, 则 0.4x=1=0.400.4^x = 1 = 0.4^0,故 x=0x = 0:

log⁡0.41=0.\log_{0.4} 1 = 0.

(这就是那条通用结论 log⁡a1=0\log_a 1 = 0:底数是几都不影响,因为任何合法底数的零次幂都是 11。)

(3) 设 ln⁡1e=x\ln \frac{1}{\mathrm{e}} = x,即 log⁡e1e=x\log_{\mathrm{e}} \frac{1}{\mathrm{e}} = x, 则 ex=1e=e−1\mathrm{e}^x = \frac{1}{\mathrm{e}} = \mathrm{e}^{-1},故 x=−1x = -1:

ln⁡1e=−1.\ln \frac{1}{\mathrm{e}} = -1.

(4) 设 lg⁡0.001=x\lg 0.001 = x,即 log⁡100.001=x\log_{10} 0.001 = x,则

10x=0.001=11000=1103=10−3,10^x = 0.001 = \frac{1}{1000} = \frac{1}{10^3} = 10^{-3},

故 x=−3x = -3:

lg⁡0.001=−3.\lg 0.001 = -3.

四小问的共同动作:把真数写成”底数的多少次幂”。25=5225 = 5^2、1=0.401 = 0.4^0、 1e=e−1\frac1{\mathrm{e}} = \mathrm{e}^{-1}、0.001=10−30.001 = 10^{-3}——这一步写出来,答案就是那个指数。

练习(第 130 页)第 3 题

  1. 求下列各式中 xx 的值:(1) log⁡13x=−3\log_{\frac{1}{3}}x = -3 (2) log⁡x49=4\log_x 49 = 4 (3) lg⁡0.00001=x\lg 0.00001 = x (4) ln⁡e=−x\ln \sqrt{\mathrm{e}} = -x.

四小问里未知数分别待在真数、底数、对数、对数的位置上,所以处理方式不同。 统一的第一步都是化成指数式。

(1) 未知数在真数位置。 由 log⁡13x=−3\log_{\frac13} x = -3 得

x=(13)−3=33=27.x = \left(\frac13\right)^{-3} = 3^3 = 27.

核一遍:(13)−3=1(13)3=1127=27\left(\frac13\right)^{-3} = \frac{1}{\left(\frac13\right)^{3}} = \frac{1}{\frac{1}{27}} = 27 ✓, 且 x=27>0x = 27 > 0,满足真数为正的要求。

x=27.x = 27.

(2) 未知数在底数位置——必须筛根。 由 log⁡x49=4\log_x 49 = 4 得

x4=49.x^4 = 49.

这个方程在实数范围内有两个根 x=±4914x = \pm 49^{\frac14},但底数必须满足 x>0x>0 且 x≠1x \neq 1, 所以负根舍去,只留正根:

x=4914=(72)14=72×14=712=7.x = 49^{\frac14} = \left(7^2\right)^{\frac14} = 7^{2 \times \frac14} = 7^{\frac12} = \sqrt7.

再验一次底数的限制:7>0\sqrt7 > 0 ✓,7≠1\sqrt7 \neq 1 ✓。核一遍: (7)4=((7)2)2=72=49(\sqrt7)^4 = \left((\sqrt7)^2\right)^2 = 7^2 = 49 ✓。

x=7.x = \sqrt7.

(3) 未知数在对数位置。 由 lg⁡0.00001=x\lg 0.00001 = x 得 10x=0.0000110^x = 0.00001。把右边写成 1010 的幂:

0.00001=1100 000=1105=10−5,0.00001 = \frac{1}{100\,000} = \frac{1}{10^5} = 10^{-5},

于是 10x=10−510^x = 10^{-5},两边同底,比指数得

x=−5.x = -5.

(4) 未知数在对数位置,但前面还带一个负号。 由 ln⁡e=−x\ln \sqrt{\mathrm{e}} = -x 得

e−x=e=e12,\mathrm{e}^{-x} = \sqrt{\mathrm{e}} = \mathrm{e}^{\frac12},

两边同底,比指数得 −x=12-x = \frac12,所以

x=−12.x = -\frac12.

核一遍:x=−12x = -\frac12 时右边 −x=12-x = \frac12;左边 ln⁡e=ln⁡e12=12\ln\sqrt{\mathrm{e}} = \ln \mathrm{e}^{\frac12} = \frac12, 两边相等 ✓。

这四小问最该带走的是第 (2) 问的动作:未知数落在底数位置时,解出的根必须回到”a>0a>0 且 a≠1a \neq 1“这道门里筛一遍。 本题里 x4=49x^4 = 49 的负根就是被这道门筛掉的, 不筛就会多写一个不存在的答案。

原书转写(OCR,供核对)

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机器转写,如有出入以上方扫描图为准。它是原文可搜索、可复制公式、读屏器读得出的形态, 也是教材原文引文的逐字比对靶。

4.3 对数

在 4.2.1 的问题 1 中,通过指数幂运算,我们能从 y=1.11xy = 1.11^{x} 中求出经过 x 年后 B 地景区的游客人次为 2001 年的倍数 y。反之,如果要求经过多少年游客人次是 2001 年的 2 倍,3 倍,4 倍,…,那么该如何解决?

4.3.1 对数的概念

上述问题实际上就是从 2=1.11x2 = 1.11^{x},3=1.11x3 = 1.11^{x},4=1.11x4 = 1.11^{x},…中分别求出 xx,即已知底数和幂的值,求指数。这是本节要学习的对数。

一般地,如果 ax=N(a>0,且a≠1)a^{x}=N(a>0,\text{且}a\neq1) ,那么数 x 叫做以 a 为底 N 的对数(logarithm),记作

x=log⁡aN,x = \log_ {a} N,

“log”是 logarithm (对数)的缩写.

其中 a 叫做对数的底数,N 叫做真数.

例如,由于 2=1.11x2 = 1.11^{x},所以 xx 就是以1.11为底2的对数,记作 x=log⁡1.112x = \log_{1.11}2;再如,由于 42=164^{2} = 16,所以以4为底16的对数是2,记作 log⁡416=2\log_416 = 2。

通常,我们将以10为底的对数叫做常用对数(common logarithm),并把 log⁡10N\log_{10}N 记为 lg⁡N\lg N 。另外,在科技、经济以及社会生活中经常使用以无理数 e=2.718 28⋯e=2.718\ 28\cdots 为底数的对数,以e为底的对数称为自然对数(natural logarithm),并把 log⁡eN\log_{e}N 记为 ln⁡N\ln N 。

• •

通过查询互联网,进一步了解无理数 e、常用对数和自然对数.

根据对数的定义,可以得到对数与指数间的关系:

当 a>0a > 0 , a≠1a\neq 1 时, ax=N⇔x=log⁡aNa^x = N\Leftrightarrow x = \log_aN

由指数与对数的这个关系,可以得到关于对数的如下结论:

负数和 0 没有对数;

log⁡a1=0,log⁡aa=1.\log_ {a} 1 = 0, \log_ {a} a = 1.

请你利用对数与指数间的关系证明这两个结论.

例1 把下列指数式化为对数式,对数式化为指数式:(1) 54=6255^{4} = 625 (2) 2−6=1642^{-6} = \frac{1}{64} (3) (13)m=5.73\left(\frac{1}{3}\right)^{m} = 5.73(4) log⁡1216=−4\log_{\frac{1}{2}} 16 = -4; (5) lg⁡0.01=−2\lg 0.01 = -2; (6) ln⁡10=2.303\ln 10 = 2.303.

解:(1) log⁡5625=4;\log_{5}625=4;

(2) log⁡2164=−6\log_2\frac{1}{64} = -6;

(3) log⁡135.73=m\log_{\frac{1}{3}} 5.73 = m;

(4) (12)−4=16;\left(\frac{1}{2}\right)^{-4}=16;

(5) 10−2=0.0110^{-2} = 0.01;

(6) e2.303=10.e^{2.303}=10.

例 2 求下列各式中 x 的值:

(1) log⁡64x=−23\log_{64}x = -\frac{2}{3}; (2) log⁡x8=6\log_x 8 = 6;

(3) lg⁡100=x\lg 100 = x; (4) −ln⁡e2=x-\ln \mathrm{e}^2 = x.

解:(1)因为 log⁡64x=−23\log_{64}x = -\frac{2}{3},所以

x=64−23=(43)−23=4−2=116.x = 6 4 ^ {- \frac {2}{3}} = (4 ^ {3}) ^ {- \frac {2}{3}} = 4 ^ {- 2} = \frac {1}{1 6}.

(2) 因为 log⁡x8=6\log_{x}8=6 ,所以 x6=8x^{6}=8 。又 x>0,所以

x=816=(23)16=212=2.x = 8 ^ {\frac {1}{6}} = (2 ^ {3}) ^ {\frac {1}{6}} = 2 ^ {\frac {1}{2}} = \sqrt {2}.

(3) 因为 lg⁡100=x\lg 100 = x ,所以

于是

10x=100,10x=102,x=2.\begin{array}{c} 1 0 ^ {x} = 1 0 0, 1 0 ^ {x} = 1 0 ^ {2}, \\ x = 2. \end{array}

(4) 因为 −ln⁡e2=x-\ln e^{2}=x ,所以

于是

ln⁡e2=−x,e2=e−x,x=−2.\begin{array}{c} \ln \mathrm{e} ^ {2} = - x, \mathrm{e} ^ {2} = \mathrm{e} ^ {- x}, \\ x = - 2. \end{array}

练习

  1. 把下列指数式写成对数式,对数式写成指数式: (1) 23=8;2^{3}=8; (2) e3=m;e^{\sqrt{3}}=m; (3) 27−13=13;27^{-\frac{1}{3}}=\frac{1}{3}; (4) log⁡39=2;\log_{3}9=2; (5) lg⁡n=2.3;\lg n=2.3; (6) log⁡3181=−4.\log_{3}\frac{1}{81}=-4.

  2. 求下列各式的值: (1) log⁡525\log_{5}25 ; (2) log⁡0.41\log_{0.4}1 ; (3) ln⁡1e\ln \frac{1}{e} ; (4) lg⁡0.001\lg 0.001 .

  3. 求下列各式中 xx 的值:(1) log⁡13x=−3\log_{\frac{1}{3}}x = -3 (2) log⁡x49=4\log_x 49 = 4 (3) lg⁡0.00001=x\lg 0.00001 = x (4) ln⁡e=−x\ln \sqrt{\mathrm{e}} = -x.