Twój postęp zapisuje się tylko w tej przeglądarce. Zaloguj się, żeby nie stracić go po zmianie urządzenia. Zaloguj się
Równania i nierówności

Równania wykładniczePodstawa

Opanuj równania wykładnicze przez sprowadzanie do wspólnej podstawy, podstawienie pomocnicze i wykorzystanie monotoniczności funkcji wykładniczej.

Matematyka ·2 min czytania ·6 ćwiczeń


Równanie wykładnicze to równanie, w którym niewiadoma występuje w wykładniku potęgi, na przykład \(2^x=8\). Szukamy wtedy wykładnika: tutaj \(x=3\), ponieważ \(2^3=8\). W tym temacie podstawy potęg są dodatnie i różne od jedności.

Przypomnij sobie znaczenie wykładnika

Dodatni wykładnik całkowity opisuje powtarzane mnożenie: \(2^3=2\cdot2\cdot2=8\). Wykładnik zerowy daje \(2^0=1\), a ujemny oznacza odwrotność: \(2^{-3}=\frac{1}{2^3}=\frac18\). Dlatego rozwiązaniem równania wykładniczego może być zero lub liczba ujemna.

Wykładnik może być też ułamkiem: \(4^{1/2}=\sqrt4=2\). Do sprowadzania potęg do wspólnej podstawy potrzebujemy reguły \((a^p)^q=a^{pq}\), przy dodatnim \(a\). Na przykład \(4^x=(2^2)^x=2^{2x}\). Nie jest to \(2^{x+2}\).

Dlaczego można porównać wykładniki?

Dla \(a\gt1\) wartości \(a^x\) rosną wraz z \(x\), a dla \(0\lt a\lt1\) maleją. W obu przypadkach różne wykładniki dają różne wartości. Zatem gdy podstawy są takie same, równość potęg wymusza równość wykładników.

\[a^{f(x)}=a^{g(x)}\ \Longleftrightarrow\ f(x)=g(x)\]

Warunki: \(a\gt0\) i \(a\ne1\); oba wykładniki muszą być określone. Przy podstawie \(1\) wszystkie potęgi mają wartość \(1\), więc ta reguła nie działa.

Na wykresie oś pozioma przedstawia wykładnik \(x\), a pionowa wartość \(y=2^x\). Każda pozioma prosta o dodatniej wysokości przecina wykres raz. Wykres zbliża się do osi poziomej, lecz jej nie dotyka: dodatnia podstawa daje dodatnią potęgę.

Wykres y = 2ˣWartości są dodatnie; przykładowo dla x = 3 mamy y = 8.Wykres y = 2ˣ−2−11231248xyWartości są dodatnie; przykładowo dla x = 3 mamy y = 8.

Przykład: sprowadzenie do wspólnej podstawy

Rozwiążmy \(4^{x+1}=8^{x-1}\). Ponieważ \(4=2^2\) oraz \(8=2^3\), obie strony można zapisać jako potęgi liczby \(2\).

  1. Zastąp podstawy potęgami tej samej liczby.\((2^2)^{x+1}=(2^3)^{x-1}\)
  2. Pomnóż wykładniki, zachowując nawiasy.\(2^{2(x+1)}=2^{3(x-1)}\)
  3. Porównaj wykładniki; wspólna podstawa spełnia wymagane warunki.\(2x+2=3x-3\)
  4. Rozwiąż powstałe równanie liniowe.\(x=5\)
  5. Sprawdź wynik w pierwotnym zapisie.\(4^6=4096,\qquad8^4=4096\)

Ujemne i ułamkowe wykładniki

W równaniu \(9^x=\frac1{27}\) zapisujemy \(9=3^2\) oraz \(\frac1{27}=3^{-3}\). Otrzymujemy \(3^{2x}=3^{-3}\), więc \(2x=-3\), czyli \(x=-\frac32\). Sprawdzenie: \(9^{-3/2}=\frac1{(\sqrt9)^3}=\frac1{27}\).

Podstawa mniejsza od jedności też jest poprawna. Równanie \((\frac12)^x=8\) zapisujemy jako \(2^{-x}=2^3\), skąd \(-x=3\) i \(x=-3\). Ujemny wykładnik odwraca ułamek.

Podstawienie, gdy występuje kilka potęg

Rozważmy \(4^x-5\cdot2^x+4=0\). Zauważmy, że \(4^x=(2^x)^2\). Wprowadzamy pomocniczą niewiadomą \(t=2^x\) i od razu zapisujemy \(t\gt0\), bo potęga dodatniej liczby nigdy nie jest zerem ani liczbą ujemną.

Równanie przyjmuje postać \(t^2-5t+4=0\), czyli \((t-1)(t-4)=0\). Dostajemy \(t=1\) lub \(t=4\); obie wartości są dodatnie. Wracamy do \(x\): \(2^x=1\) daje \(x=0\), a \(2^x=4\) daje \(x=2\). Sprawdzenie: dla \(x=0\) mamy \(1-5+4=0\), a dla \(x=2\): \(16-20+4=0\).

Gdy równanie pomocnicze daje \(t\le0\), taki kandydat odpada. Odpowiedzią mają być wartości \(x\), nie wartości pomocniczej litery \(t\).

Typowe błędy i granice metody

\(4^x=2^{x+3}\Rightarrow x=x+3\)Podstawy nie są jeszcze jednakowe. Najpierw zapisz lewą stronę jako potęgę liczby \(2\).
\(2^{2x}=2^{x+3}\Rightarrow2x=x+3\Rightarrow x=3\).

Równania \(2^x=0\) oraz \(2^x=-1\) nie mają rozwiązań rzeczywistych. Natomiast \(2^x=3\) ma rozwiązanie, choć nie widać wspólnej podstawy z prostym wykładnikiem. Można je zapisać \(x=\log_2 3\); znaczenie tego zapisu wyjaśnia kolejny temat.

Najczęstsze pytania

Kiedy wolno porównać wykładniki?
Gdy po obu stronach równania jest ta sama dodatnia podstawa różna od jedności. Najpierw trzeba do takiego zapisu doprowadzić.
Czy równanie wykładnicze może mieć ujemne rozwiązanie?
Tak. Na przykład \(2^x=\frac18\) ma rozwiązanie \(x=-3\). Dodatnia jest wartość potęgi, niekoniecznie wykładnik.
Po co warunek \(t\gt0\) przy podstawieniu \(t=2^x\)?
Wartości \(2^x\) są zawsze dodatnie. Zero oraz ujemne rozwiązania równania pomocniczego nie odpowiadają żadnemu rzeczywistemu \(x\).

Poćwicz

ABCD

Gdzie znajduje się niewiadoma w równaniu wykładniczym \(2^x=8\)?

ABCD

Rozwiąż \(5^{2x}=125\).

ABCD

Rozwiąż \(8^{x+1}=4^{x+2}\).

ABCD

Rozwiąż \(9^x=\frac1{27}\).

ABCD

Który warunek opisuje dokładnie zbiór wszystkich wartości \(t=2^x\) dla \(x\in\mathbb R\)?

ABCD

Rozwiąż \(2^{x+2}=16^{x-1}\).

Sprawdź, ile już umiesz

Przećwicz to zagadnienie na fiszkach albo przejdź do zestawu zadań z całego działu.

Ebook PDF 395 zadań maturalnych z matematyki podstawowej z rozwiązaniami krok po kroku w jednym pliku. Zobacz ebook (19,99 zł)