4.4.2 对数函数的图象和性质

人教 A 版 · 本节 4 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 11 题 ↓

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本节的知识树

2 概念 · 最深 2 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 11 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。

这一节是 4.2.2 的”镜面翻版”:研究方法一字不改——画图象,从图象读性质;成果也是一张性质表(表 4.4-2)。不同的只是图象的形状、以及底数影响方向的那条结论正好反着。除此之外,本节还第一次正式给出反函数:指数函数与对数函数互为反函数,定义域与值域互换。

学完这一节,你要能:画出 y=log⁡axy = \log_a x 的草图(过 (1,0)(1,0)、贴 yy 轴、增减方向)、背出两类底数的性质表、用对数单调性比较大小(含字母底分类讨论)、看懂”互为反函数”的定义域值域互换。

一、y=log2x 的图象:与指数函数完全平行的研究路径

先画最简单的 y=log⁡2xy = \log_2 x:列表(表 4.4-1)→ 描点 → 光滑连线(图 4.4-2)。图象是:过 (1,0)(1, 0)、只在一、四象限、从左到右上升但越来越平缓、右端无限贴近 xx 轴却永不相交(xx 轴是水平渐近线),而左端贴近 yy 轴(yy 轴是竖直渐近线,xx 越接近 0 曲线越往下扎)。

与指数函数 y=2xy = 2^x 的图象对照着记:y=2xy = 2^x 过 (0,1)(0,1)、贴 xx 轴、越来越陡;y=log⁡2xy = \log_2 x 过 (1,0)(1,0)、贴 yy 轴、越来越平缓。它俩互为反函数(第六节),图象关于直线 y=xy = x 对称。

二、底数互为倒数:关于 x 轴对称

思考问:指数函数里”底数互为倒数 → 图象关于 yy 轴对称”(4.2.2 第一节),对数函数有没有类似的对称关系?

关键变形用换底公式(4.3.2):

y=log⁡12x=−log⁡2x.y = \log_{\frac12} x = -\log_2 x.

点 (x,y)(x, y) 与点 (x,−y)(x, -y) 关于 xx 轴对称,所以 y=log⁡2xy = \log_2 x 图象上任一点关于 xx 轴的对称点都在 y=log⁡12xy = \log_{\frac12} x 的图象上,反之亦然。结论:底数互为倒数的两个对数函数的图象关于 xx 轴对称(图 4.4-3)。

这里是本节最容易被考倒的地方——两个对称方向对照着记:

函数底数互为倒数时对称轴
指数函数 y=axy = a^xy=(1a)x=a−xy = \left(\frac1a\right)^x = a^{-x}关于 yy 轴对称
对数函数 y=log⁡axy = \log_a xy=log⁡1ax=−log⁡axy = \log_{\frac1a} x = -\log_a x关于 xx 轴对称

三、表 4.4-2:一张表装下全部性质

第二个探究:选若干个不同的底数 aa 画图(图 4.4-4),发现图象按 aa 分成两类——0<a<10 < a < 1 与 a>1a > 1。性质也分两类:

性质0<a<10 < a < 1a>1a > 1
定义域(0,+∞)(0, +\infty)(0,+∞)(0, +\infty)
值域R\mathbf{R}R\mathbf{R}
定点过点 (1,0)(1, 0)过点 (1,0)(1, 0)
单调性减函数增函数
图象位置第一、四象限,下降第一、四象限,上升

与指数函数表(表 4.2-3)一条条对:定义域、值域正好对调(指数 y=axy = a^x 定义域 R\mathbf{R}、值域 (0,+∞)(0,+\infty);对数 y=log⁡axy = \log_a x 定义域 (0,+∞)(0,+\infty)、值域 R\mathbf{R}),定点 (1,0)(1,0) 对 (0,1)(0,1),渐近线 yy 轴对 xx 轴——这就是”互为反函数”在表格层面的全部含义。

几条”共性”是判断与应用的基石:

  1. 任何对数函数都过 (1,0)(1, 0)——log⁡a1=0\log_a 1 = 0,画图先点这个点;
  2. 定义域恒为 (0,+∞)(0, +\infty)——图象永远在 yy 轴右侧,yy 轴是渐近线;
  3. 单调性由底数唯一决定——a>1a > 1 增、0<a<10 < a < 1 减,方向与指数函数相反(指数是 a>1a > 1 增),别记反。

四、例 3:比较对数大小——同底看单调性,字母底分类讨论

例 3 的 (1)(2) 是”同底不同真数”——两个值都是同一个对数函数的函数值,直接用单调性:

  1. 底 >1> 1:log⁡23.4\log_2 3.4 与 log⁡28.5\log_2 8.5 是 y=log⁡2xy = \log_2 x 的函数值。2>12 > 1 增,3.4<8.53.4 < 8.5,所以 log⁡23.4<log⁡28.5\log_2 3.4 < \log_2 8.5;
  2. 底 <1< 1:log⁡0.31.8\log_{0.3} 1.8 与 log⁡0.32.7\log_{0.3} 2.7 是 y=log⁡0.3xy = \log_{0.3} x 的函数值。0<0.3<10 < 0.3 < 1 减,1.8<2.71.8 < 2.7,所以 log⁡0.31.8>log⁡0.32.7\log_{0.3} 1.8 > \log_{0.3} 2.7(减函数方向反转!);
  3. 字母底:log⁡a5.1\log_a 5.1 与 log⁡a5.9\log_a 5.9,aa 不知道在哪一边——分类讨论:a>1a > 1 时增,log⁡a5.1<log⁡a5.9\log_a 5.1 < \log_a 5.9;0<a<10 < a < 1 时减,log⁡a5.1>log⁡a5.9\log_a 5.1 > \log_a 5.9。

与指数比大小(4.2.2 例 3)的套路完全平行:先看底数在哪一边定单调性方向,再看真数大小。字母底一律先分类。

五、例 4:pH——对数函数下的”越浓越酸”

溶液酸碱度由公式

pH=−lg⁡[H+]\mathrm{pH} = -\lg [\mathrm{H}^+]

计量([H+][\mathrm{H}^+] 是氢离子浓度,单位摩尔/升)。先做一个变形:

pH=−lg⁡[H+]=lg⁡1[H+].\mathrm{pH} = -\lg [\mathrm{H}^+] = \lg \frac{1}{[\mathrm{H}^+]}.

在 (0,+∞)(0, +\infty) 上,[H+][\mathrm{H}^+] 增大 → 1[H+]\frac{1}{[\mathrm{H}^+]} 减小 → lg⁡1[H+]\lg\frac{1}{[\mathrm{H}^+]} 减小(底 10>110 > 1,lg⁡\lg 是增函数,减的是真数)→ pH 减小。所以结论是:氢离子浓度越大,pH 越小,酸性越强。

计算两个数:纯净水 [H+]=10−7[\mathrm{H}^+] = 10^{-7},pH=−lg⁡10−7=7\mathrm{pH} = -\lg 10^{-7} = 7;胃酸 [H+]=2.5×10−2[\mathrm{H}^+] = 2.5 \times 10^{-2},pH=−lg⁡(2.5×10−2)=2−lg⁡2.5≈2−0.398=1.602≈1.6\mathrm{pH} = -\lg(2.5 \times 10^{-2}) = 2 - \lg 2.5 \approx 2 - 0.398 = 1.602 \approx 1.6。

“越大越酸、pH 越小”是反直觉点——浓度和 pH 反向变化,靠的是 lg⁡\lg 的增函数性质把”倒数减小”翻译成”pH 减小”。

六、反函数:指数与对数互为反函数

课本用碳 14 的例子走了一遍完整流程。衰减模型是 y=(12)x5730y = \left(\frac12\right)^{\frac{x}{5730}}(x⩾0x \geqslant 0),由指数与对数的关系反解出 xx:

x=log⁡(12)15730y(0<y⩽1).x = \log_{\left(\frac12\right)^{\frac{1}{5730}}} y \quad (0 < y \leqslant 1).

这里 yy 是自变量、xx 是函数值。习惯上总用 xx 表示自变量、yy 表示函数,于是对调字母:y=log⁡(12)15730xy = \log_{\left(\frac12\right)^{\frac{1}{5730}}} x。这时两个函数互为反函数,并且——

定义域与值域正好互换:y=(12)x5730y = \left(\frac12\right)^{\frac{x}{5730}} 的定义域 [0,+∞)[0, +\infty) 是反函数的值域,值域 (0,1](0, 1] 是反函数的定义域。

一般结论(本节第二段探究):指数函数 y=axy = a^x 与对数函数 y=log⁡axy = \log_a x(a>0a > 0 且 a≠1a \neq 1)互为反函数,它们的定义域与值域正好互换。 图象层面,互为反函数的两个函数图象关于直线 y=xy = x 对称(“探究与发现”里的结论,课外探究,但考试会用)。判断”互为反函数”最实用的办法就是这一条:指数函数的定义域是 R\mathbf{R},所以它的反函数(对数函数)值域是 R\mathbf{R};指数函数的值域是 (0,+∞)(0, +\infty),所以它的反函数定义域是 (0,+∞)(0, +\infty)。

七、习题里的模型应用

练习第 3 题是增长率模型与对数的第一次结合:去年 GDP 3 000 亿元、年增 6.8%,则

y=3000(1+6.8%)x=3000×1.068x(x=0,1,…,5).y = 3000(1 + 6.8\%)^x = 3000 \times 1.068^x \quad (x = 0, 1, \ldots, 5).

问何时达到 3 900 亿元,就是解指数方程:1.068x=1.31.068^x = 1.3,两边取对数

x=log⁡1.0681.3=ln⁡1.3ln⁡1.068≈0.26240.0658≈3.99≈4 (年).x = \log_{1.068} 1.3 = \frac{\ln 1.3}{\ln 1.068} \approx \frac{0.2624}{0.0658} \approx 3.99 \approx 4\ (\text{年}).

“增长几年到某数”从指数型问题变成对数问题——这是对数函数在应用题里的标准出场方式(4.5.3 函数模型的应用还会系统展开)。

八、易错点

  1. 对称方向记混:指数函数”底数互倒 → 关于 yy 轴对称”(y=a−xy = a^{-x});对数函数”底数互倒 → 关于 xx 轴对称”(log⁡1ax=−log⁡ax\log_{\frac1a} x = -\log_a x)。两节各考一遍,最容易背串;
  2. 单调性方向与指数相反:对数 a>1a > 1 才增(指数 0<a<10 < a < 1 才减)——记”过 (1,0)(1,0) 的增函数底数大”这条特征,比硬背两个表稳;
  3. 定义域 (0,+∞)(0, +\infty) 别忘:比较大小、化简、求值前先想真数是否为正;log⁡ax\log_a x 的图象永远在 yy 轴右侧;
  4. 字母底不分类就下结论:log⁡a5.1\log_a 5.1 与 log⁡a5.9\log_a 5.9 必须分 a>1a > 1 与 0<a<10 < a < 1 两类,答案要写全;
  5. pH 的反向关系:“氢离子浓度越大”对应”pH 越小、酸性越强”——浓度与 pH 反向,这是例 4 要说明的事;
  6. 拿共有的性质当判据:log⁡a1=0\log_{a}1=0 对任何合法的底数都成立,所以「图象过 (1,0)(1,0)」是所有对数函数共有的,区分不了底数、也区分不了选项。识图题能刷掉选项的,永远是几张图彼此不同的那几处(这里是升降),不是它们都满足的那几处。
  7. 反函数的方向:y=axy = a^x 与 y=log⁡axy = \log_a x 互逆,是”定义域值域互换”,不是”x、y 符号互换”;由 yy 反解 xx 时注意把 yy 的取值范围(原函数的值域)一并带过来。

九、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。本节的方法在高考里高频出现:

  • 对数(指数)比较大小是新课标卷小题常客(4.4 的讲解里 2025 年第 8 题即此型)——工具就是例 3 的三个套路:同底看单调性、借 1 或借 yy 轴搭桥、字母底分类;
  • 对数函数图象识别(过 (1,0)(1,0)、yy 轴渐近线、单调性与底数关系)以图象选择题出现;
  • 反函数概念以”定义域值域互换”的形式进入压轴题的第一步(2024 年第 18 题即以 ln⁡x\ln x 型函数为主角);
  • pH、声压级这类 lg⁡\lg 模型题(2023 年第 10 题声压级)考”由值反解变量”——先确认真数为正,再用指数与对数的互逆关系。

清单里最典型的一道是 2014 年浙江第 7 题:在同一直角坐标系中, f(x)=xa (x⩾0)f(x)=x^{a}\ (x\geqslant 0) 与 g(x)=log⁡axg(x)=\log_{a}x 的图象可能是(答案:D)。 它把本节的单调性和 §3.3 幂函数的凹凸拴在同一个字母上:

  • 对数那条只提供一条信息——升降:递增 ⇒a>1\Rightarrow a>1,递减 ⇒0<a<1\Rightarrow 0<a<1(本节表 4.4-2 的第一行);
  • 幂函数那条只提供一条信息——凹凸:下凸 ⇒a>1\Rightarrow a>1,上凸 ⇒0<a<1\Rightarrow 0<a<1;
  • 两个 aa 是同一个,所以两条信息必须指向同一侧,否则那张图不存在。

四张选项图里,一张画的根本不是幂函数(那条从 (0,1)(0,1) 起步的是指数函数), 两张是「一处要 a>1a>1、另一处要 0<a<10<a<1」的打架组合,剩下的那张(上凸 ++ 递减)就是答案。

这道题也是上面第 6 条易错点的活例:四张图的对数曲线都在 x=1x=1 处过 xx 轴。 这不是出题人手滑,是 log⁡a1=0\log_{a}1=0 恒成立——所以「过 (1,0)(1,0)」在这道题里一个选项都刷不掉, 真正能刷的是升降。做识图题前先问「这几张图差在哪」,别急着找自己最熟的那条性质。

十、怎么读这一节

  1. 亲手描点画 y=log⁡2xy = \log_2 x,再用对称性画 y=log⁡12xy = \log_{\frac12} x——“底数互为倒数 → 关于 xx 轴对称”是本节第一个要背的结论,且务必与 4.2.2 的 yy 轴对称对照记;
  2. 把表 4.4-2 默写一遍,并排默写表 4.2-3:定义域值域对调、定点 (1,0)(1,0) 对 (0,1)(0,1)、单调性方向相反——两张表一起记反而好记;
  3. 独立重做例 3 三问,重点是把 (3) 的分类讨论写完整(答案要含”a>1a > 1 时…,0<a<10 < a < 1 时…”两部分);
  4. 重做例 4:自己推一遍 pH=lg⁡1[H+]\mathrm{pH} = \lg\frac{1}{[\mathrm{H}^+]} 的变形,再算胃酸的 pH;
  5. 读懂反函数那一段:跟着碳 14 把 x=log⁡(12)15730yx = \log_{\left(\frac12\right)^{\frac{1}{5730}}} y 写一遍,确认”定义域与值域正好互换”指哪两个集合;
  6. 做练习第 3 题(GDP)——增长率模型配取对数求解,这是 4.5.3 的前奏。

下一节 4.4.3 不同函数增长的差异:指数、对数、幂函数放到同一个坐标系里比谁涨得快——“对数增长慢”会第一次有直观证据。

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。

本节页面覆盖第 139–142 页,课本习题共 3 道(第 142 页「练习」3 道),逐题全做。第 142 页「探究与发现(互为反函数的两个函数图象间的关系)」是课外探究材料,不属于习题,不在本详解范围。每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习 第 1 题

  1. 在同一直角坐标系中画出函数 y=log⁡3xy = \log_3 x 和 y=log⁡13xy = \log_{\frac{1}{3}} x 的图象,并说明它们的关系.

由换底公式,log⁡13x=lg⁡xlg⁡13=lg⁡x−lg⁡3=−log⁡3x\log_{\frac13} x = \frac{\lg x}{\lg\frac13} = \frac{\lg x}{-\lg 3} = -\log_3 x。因为点 (x,y)(x, y) 与点 (x,−y)(x, -y) 关于 xx 轴对称,所以 y=log⁡3xy = \log_3 x 图象上任意一点 P(x,y)P(x, y) 关于 xx 轴的对称点 P1(x,−y)P_1(x, -y) 都在 y=log⁡13xy = \log_{\frac13} x 的图象上,反之亦然。因此两个函数图象关于 xx 轴对称。

画法:先画 y=log⁡3xy = \log_3 x(过 (1,0)(1,0)、第一、四象限、递增且越来越平缓、以 yy 轴为竖直渐近线),再作关于 xx 轴的对称图形即得 y=log⁡13xy = \log_{\frac13} x。

自检:这是本节”思考”结论的直接应用——底数互为倒数的两个对数函数图象关于 xx 轴对称。注意与指数函数(y=3xy = 3^x 与 y=(13)xy = \left(\frac13\right)^x 关于 yy 轴对称)区分,方向正好相反。

练习 第 2 题

  1. 比较下列各题中两个值的大小: (1) lg⁡0.6,lg⁡0.8;\lg 0.6, \lg 0.8; (2) log⁡0.56,log⁡0.54;\log_{0.5}6, \log_{0.5}4; (3) log⁡m5,log⁡m7.\log_{m}5, \log_{m}7.

(1) 同底不同真数——用对数函数单调性:y=lg⁡xy = \lg x 的底 10>110 > 1,是增函数。因为 0.6<0.80.6 < 0.8,所以

lg⁡0.6<lg⁡0.8.\lg 0.6 < \lg 0.8.

(2) 底 0.5<10.5 < 1,y=log⁡0.5xy = \log_{0.5} x 是减函数。因为 6>46 > 4,减函数自变量大的函数值反而小,所以

log⁡0.56<log⁡0.54.\log_{0.5} 6 < \log_{0.5} 4.

(3) 底数 mm 是字母,不知道在哪一边——分类讨论:

  • 当 m>1m > 1 时,y=log⁡mxy = \log_m x 是增函数,5<75 < 7,所以 log⁡m5<log⁡m7\log_m 5 < \log_m 7;
  • 当 0<m<10 < m < 1 时,y=log⁡mxy = \log_m x 是减函数,5<75 < 7,所以 log⁡m5>log⁡m7\log_m 5 > \log_m 7。

自检:与 4.2.2 练习第 2 题的套路一一对应——同底用单调性(底 >1> 1 同向、0<底<10 < 底 < 1 反向),字母底分类讨论、答案必须写全两类。顺带验证 (1)(2) 的数值:lg⁡0.6≈−0.222\lg 0.6 \approx -0.222、lg⁡0.8≈−0.097\lg 0.8 \approx -0.097;log⁡0.56≈−2.585\log_{0.5} 6 \approx -2.585、log⁡0.54=−2\log_{0.5} 4 = -2,方向都对。

练习 第 3 题

  1. 某地去年的 GDP(国内生产总值)为 3 000 亿元人民币,预计未来 5 年的平均增长率为 6.8%.

(1)设经过 xx 年达到的年GDP为 yy 亿元,试写出未来5年内,yy 关于 xx 的函数解析式;

(2) 经过几年该地 GDP 能达到 3 900 亿元人民币?

(1) 每年 GDP 变为上一年的 1+6.8%1 + 6.8\% 倍,所以经过 xx 年:

y=3000×(1+6.8%)x=3000×1.068x(0<x≤5).y = 3000 \times (1 + 6.8\%)^{x} = 3000 \times 1.068^{x} \quad (0 < x \le 5).

xx 的范围来自实际背景,两头都要交代:「未来」把 x=0x=0 排除在外(x=0x=0 给 y=3000y=3000,那是去年已经发生的产值,不是未来的),「5 年内」给出上界 x≤5x\le 5。第 (2) 问要在这个范围里解方程,所以这里把 xx 取成连续变量(增长按整年计息、年内按比例折算,是本节例 2「物价经过几年翻一番」用的同一套口径);若把 xx 限成整数 1,2,3,4,51,2,3,4,5,第 (2) 问就得改问「第几年首次超过」,见下面 (2) 末尾那一段。

(2) 令 y=3900y = 3900:

3000×1.068x=3900⇒1.068x=1.3,3000 \times 1.068^{x} = 3900 \quad \Rightarrow \quad 1.068^{x} = 1.3,

两边取对数:

x=log⁡1.0681.3=ln⁡1.3ln⁡1.068≈0.26240.0658≈3.99.x = \log_{1.068} 1.3 = \frac{\ln 1.3}{\ln 1.068} \approx \frac{0.2624}{0.0658} \approx 3.99 .

3.993.99 落在 (0,5](0,5] 内,符合 (1) 的范围。所以约 4 年该地 GDP 能达到 3 900 亿元人民币。

若按整年口径回答同一问:1.068>11.068>1 故 yy 随 xx 递增,而

y(3)=3000×1.0683≈3654.6<3900<3903.1≈3000×1.0684=y(4),y(3)=3000\times1.068^{3}\approx 3654.6<3900<3903.1\approx 3000\times1.068^{4}=y(4),

所以到第 4 年才首次达到(超过)3 900 亿元。两种口径的答案是同一个「44 年」,只是含义不同:连续口径下 3.993.99 年就恰好等于 3 900,整年口径下第 4 年末已是 3 903.1(超过而非恰好等于)。

自检:x≈3.99x\approx3.99 与「y(3)<3900<y(4)y(3)<3900<y(4)」互相印证——解析解落在 33 与 44 之间且贴近 44,正对应整年口径的「第 4 年首次超过」。另外别把 3.993.99 说成「刚好第 4 年末达到」:y(4)≈3903.1y(4)\approx3903.1 比 3 900 多出 3 亿多,恰好等于 3 900 发生在 x≈3.99x\approx3.99 那一刻。这道题是”指数方程 → 取对数求解”的标准示范,4.5.3 函数模型的应用还会系统练习这一套路。

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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。

4.4.2 对数函数的图象和性质

与研究指数函数一样,我们首先画出其图象,然后借助图象研究其性质.

不妨先画函数 y=log⁡2xy=\log_{2}x 的图象.

请同学们完成 xx , yy 的对应值表4.4-1,并用描点法画出函数 y=log⁡2xy = \log_2x 的图象(图4.4-2).

图4.4-2

思考

我们知道,底数互为倒数的两个指数函数的图象关于 yy 轴对称。对于底数互为倒数的两个对数函数,比如 y=log⁡2xy = \log_2x 和 y=log⁡12xy = \log_{\frac{1}{2}}x ,它们的图象是否也有某种对称关系呢?可否利用其中一个函数的图象画出另一个函数的图象?

利用换底公式,可以得到 y=log⁡12x=−log⁡2xy=\log_{\frac{1}{2}}x=-\log_{2}x 。因为点 (x,y)(x,y) 与点 (x,−y)(x,-y) 关于 x 轴对称,所以 y=log⁡2xy=\log_{2}x 图象上任意一点 P(x,y)P(x,y) 关于 x 轴的对称点 P1(x,−y)P_{1}(x,-y) 都在 y=log⁡12xy=\log_{\frac{1}{2}}x 的图象上,反之亦然。由此可知,底数互为倒数的两个对数函数的图象关于 x 轴对称。根据这种对称性,就可以利用 y=log⁡2xy=\log_{2}x 的图象画出 y=log⁡12xy=\log_{\frac{1}{2}}x 的图象(图 4.4-3)。

图4.4-3

为了得到对数函数 y=log⁡ax(a>0y = \log_a x (a > 0,且 a≠1a \neq 1 的性质,我们还需要画出更多具体对数函数的图象进行观察.

探究

选取底数 a(a>0a(a > 0 ,且 a≠1)a\neq 1) 的若干个不同的值,在同一直角坐标系内画出相应的对数函数的图象.观察这些图象的位置、公共点和变化趋势,它们有哪些共性?由此你能概括出对数函数 y=log⁡ax(a>0y = \log_a x(a > 0 ,且 a≠1)a\neq 1) 的值域和性质吗?

如图4.4-4,选取底数 aa 的若干值,用计算工具画图,发现对数函数 y=log⁡axy = \log_a x 的图象按底数 aa 的取值,可分为 0<a<10 < a < 1 和 a>1a > 1 两种类型。因此,对数函数的性质也可以分 0<a<10 < a < 1 和 a>1a > 1 两种情况进行研究。

一般地,对数函数的图象和性质如表4.4-2所示.

表4.4-2

例 3 比较下列各题中两个值的大小:

(1) log⁡23.4\log_{2}3.4 , log⁡28.5\log_{2}8.5 ;

(2) log⁡0.31.8, log⁡0.32.7;\log_{0.3}1.8,\ \log_{0.3}2.7;

(3) log⁡a5.1\log_{a}5.1 , log⁡a5.9\log_{a}5.9 (a>0, 且 a≠1a\neq1 ).

解:(1)log⁡23.4\log_2 3.4 和 log⁡28.5\log_2 8.5 可看作函数 y=log⁡2xy = \log_2 x 的两个函数值。因为底数 2>12 > 1,对数函数 y=log⁡2xy = \log_2 x 是增函数,且 3.4<8.53.4 < 8.5,所以

log⁡23.4<log⁡28.5.\log_ {2} 3. 4 < \log_ {2} 8. 5.

(2) log⁡0.31.8\log_{0.3} 1.8 和 log⁡0.32.7\log_{0.3} 2.7 可看作函数 y=log⁡0.3xy = \log_{0.3} x 的两个函数值. 因为底数 0.3<10.3 < 1, 对数函数 y=log⁡0.3xy = \log_{0.3} x 是减函数, 且 1.8<2.71.8 < 2.7, 所以

log⁡0.31.8>log⁡0.32.7.\log_ {0. 3} 1. 8 > \log_ {0. 3} 2. 7.

(3) log⁡a5.1\log_a 5.1 和 log⁡a5.9\log_a 5.9 可看作函数 y=log⁡axy = \log_a x 的两个函数值. 对数函数的单调性取决于底数 aa 是大于 1 还是小于 1, 因此需要对底数 aa 进行讨论.

当 a>1a > 1 时,因为函数 y=log⁡axy = \log_a x 是增函数,且 5.1<5.95.1 < 5.9 ,所以

log⁡a5.1<log⁡a5.9;\log_ {a} 5. 1 < \log_ {a} 5. 9;

当 0<a<10 < a < 1 时,因为函数 y=log⁡axy = \log_a x 是减函数,且 5.1<5.95.1 < 5.9 ,所以

log⁡a5.1>log⁡a5.9.\log_ {a} 5. 1 > \log_ {a} 5. 9.

例 4 溶液酸碱度的测量.

溶液酸碱度是通过 pH\mathrm{pH} 计量的. pH\mathrm{pH} 的计算公式为 pH=−lg⁡[H+]\mathrm{pH} = -\lg [\mathrm{H}^{+}],其中 [H+][\mathrm{H}^{+}] 表示溶液中氢离子的浓度,单位是摩尔/升.

(1)根据对数函数性质及上述 pH\mathrm{pH} 的计算公式,说明溶液酸碱度与溶液中氢离子的浓度之间的变化关系;

(2) 已知纯净水中氢离子的浓度为 [H+]=10−7\left[H^{+}\right]=10^{-7} 摩尔/升,计算纯净水的 pH.

解:(1)根据对数的运算性质,有

pH=−lg⁡[H+]=lg⁡[H+]−1=lg⁡1[H+].\mathrm{pH} = - \lg [ \mathrm{H} ^ {+} ] = \lg [ \mathrm{H} ^ {+} ] ^ {- 1} = \lg \frac {1}{[ \mathrm{H} ^ {+} ]}.

在 (0,+∞)(0, +\infty) 上,随着 [H+][H^{+}] 的增大, 1[H+]\frac{1}{[H^{+}]} 减小,相应地, lg⁡1[H+]\lg\frac{1}{[H^{+}]} 也减小,即pH减小。所以,随着 [H+][H^{+}] 的增大,pH减小,即溶液中氢离子的浓度越大,溶液的酸性就越强。

胃酸中氢离子的浓度是 2.5×10−22.5 \times 10^{-2} 摩尔/升,胃酸的 pH 是多少?

(2) 当 [H+]=10−7\left[H^{+}\right]=10^{-7} 时,pH=- lg⁡10−7=7\lg 10^{-7}=7 。所以,纯净水的 pH 是 7 。

前面根据指数与对数间的关系,由 y=(12)x5730(x⩾0)y = \left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{x}{5730}} (x \geqslant 0) 得 x=log⁡57301/2y(0<y⩽1)x = \log_{\frac{5730}{\sqrt{1/2}}} y (0 < y \leqslant 1). 由函数定义可知 x=log⁡57301/2y,y∈(0,1]x = \log_{\frac{5730}{\sqrt{1/2}}} y, y \in (0, 1] 是一个函数. 这样,由指数函数 y=(12)x5730y = \left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{x}{5730}},x∈[0,+∞)x \in [0, +\infty) 可得到对数函数 x=log⁡57301/2y,y∈(0,1]x = \log_{\frac{5730}{\sqrt{1/2}}} y, y \in (0, 1],这个对数函数的定义域(0, 1]、值域 [0,+∞)[0, +\infty) 分别是指数函数 y=(12)x5730,x∈[0,+∞)y = \left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{x}{5730}}, x \in [0, +\infty) 的值域和定义域. 这时就说函数 x=log⁡57301/2y,y∈(0,1]x = \log_{\frac{5730}{\sqrt{1/2}}} y, y \in (0, 1] 是函数 y=(12)x5730,x∈[0,+∞)y = \left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{x}{5730}}, x \in [0, +\infty) 的反函数 (inverse function).

通常,我们用 xx 表示自变量,yy 表示函数。为此,把 x=log⁡57301/2yx = \log_{\frac{5730}{\sqrt{1/2}}} y 写成 y=log⁡57301/2xy = \log_{\frac{5730}{\sqrt{1/2}}} x,这样,对数函数 y=log⁡57301/2x,x∈(0,1]y = \log_{\frac{5730}{\sqrt{1/2}}} x, x \in (0, 1] 是指数函数 y=(12)x5730,x∈[0,+∞)y = \left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{x}{5730}}, x \in [0, +\infty) 的反函数。同时,指数函数 y=(12)x5730,x∈[0,+∞)y = \left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{x}{5730}}, x \in [0, +\infty) 也是对数函数 y=log⁡57301/2x,x∈(0,1]y = \log_{\frac{5730}{\sqrt{1/2}}} x, x \in (0, 1] 的反函数。因此,指数函数 y=(12)x5730,x∈[0,+∞)y = \left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{x}{5730}}, x \in [0, +\infty) 与对数函数 y=log⁡57301/2x,x∈(0,1]y = \log_{\frac{5730}{\sqrt{1/2}}} x, x \in (0, 1] 互为反函数,它们的定义域与值域正好互换。

探究

对于指数函数 y=2xy = 2^{x},你能利用指数与对数间的关系,得到与之对应的对数函数吗?它们的定义域、值域之间有什么关系?它们也互为反函数吗?

一般地,指数函数 y=ax(a>0y = a^x (a > 0,且 a≠1a \neq 1 与对数函数 y=log⁡ax(a>0y = \log_a x (a > 0,且 a≠1a \neq 1 互为反函数,它们的定义域与值域正好互换.

练习

  1. 在同一直角坐标系中画出函数 y=log⁡3xy = \log_3 x 和 y=log⁡13xy = \log_{\frac{1}{3}} x 的图象,并说明它们的关系.

  2. 比较下列各题中两个值的大小: (1) lg⁡0.6,lg⁡0.8;\lg 0.6, \lg 0.8; (2) log⁡0.56,log⁡0.54;\log_{0.5}6, \log_{0.5}4; (3) log⁡m5,log⁡m7.\log_{m}5, \log_{m}7.

  3. 某地去年的 GDP(国内生产总值)为 3 000 亿元人民币,预计未来 5 年的平均增长率为 6.8%.

(1)设经过 xx 年达到的年GDP为 yy 亿元,试写出未来5年内,yy 关于 xx 的函数解析式;

(2) 经过几年该地 GDP 能达到 3 900 亿元人民币?

探究与发现

互为反函数的两个函数图象间的关系

我们知道,指数函数 y=ax(a>0y=a^{x}(a>0 ,且 a≠1)a\neq1) 与对数函数 y=log⁡ax(a>0y=\log_{a}x(a>0 ,且 a≠1)a\neq1) 互为反函数。它们的图象是否有关系?有什么关系呢?下面,请你运用所学的数学知识和计算工具,探索几个问题,亲自发现其中的奥秘吧!

  1. 在同一直角坐标系中,画出指数函数 y=2xy = 2^{x} 及其反函数 y=log⁡2xy = \log_2 x 的图象. 你能发现这两个函数的图象有什么对称关系吗?

  2. 取 y=2xy = 2^{x} 图象上的几个点,如 P1(−1,12)P_{1}\left(-1, \frac{1}{2}\right),P2(0,1)P_{2}(0, 1),P3(1,2)P_{3}(1, 2)。P1P_{1},P2P_{2},P3P_{3} 关于直线 y=xy = x 的对称点的坐标是什么?它们在 y=log⁡2xy = \log_{2}x 的图象上吗?为什么?

  3. 如果点 P0(x0,y0)P_{0}(x_{0}, y_{0}) 在函数 y=2xy = 2^{x} 的图象上, 那么 P0P_{0} 关于直线 y=xy = x 的对称点在函数 y=log⁡2xy = \log_{2}x 的图象上吗?为什么?

  4. 根据上述探究过程,你可以得到什么结论?

  5. 上述结论对于指数函数 y=ax(a>0y = a^x (a > 0,且 a≠1)a \neq 1) 及其反函数 y=log⁡ax(a>0,y = \log_a x (a > 0, 且 a≠1)a \neq 1) 也成立吗?为什么?