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高中二年级 (16-17岁)

高中数学 指数与对数

对数是把指数反过来问的问题。 log₂8 问的是「2 要乘几次才得到 8」,答案是 3,所以指数与对数是一枚硬币的两面。 对数把乘法变成加法,让庞大数字的计算变简单,也能测量声音强弱、地震大小这类跨度极广的量。 改底数,指数曲线如何飙升、对数刻度如何把乘法铺开会对上。

指数直观 — 重复乘法

你已经知道底数和幂的结果、只缺指数时,给那个空位起的名字就是对数。 符号 log_a N 就是把 a^x = N 对 x 解出来的值,并和「同底相乘变成指数相加」成对出现。 要把很长的乘法台阶当成加法来处理,就需要对数。 底数条件是 a > 0 且 a ≠ 1,真数是 N > 0。 滑块只允许底数从 1.2 到 4,所以这里画出的曲线只显示增大的一侧。 0 < a < 1 的减小区间只写在句子里,不在图的范围内。

上图用金色画出 y = a^x 曲线,横轴刻度从 0 到 5。 虚线在高度 1,标题把所选底数写到小数第一位,仍是 y = a^x。 把底数 a 从 1.2 改到 4 时,纵轴会按 a^5 的高度重新标定,所以底数越大,左边贴得越低、右边升得越陡。 下面两根杆上标着同一组值 a^0、a^1、a^2、a^3、a^4。 上面是对数刻度,格距相同;下面是线性刻度,数越大刻度越挤到一侧。 曲线上没有在跑的点。每换一次底数,曲线和刻度就按新值重画。

2
💡 指数即重复乘法
①2^3 = 2×2×2 = 8:「将2乘3次」
②底越大增长越快
③底 > 1 增长,0 < 底 < 1 衰减
④此图底数 a ≥ 1.2。0 < a < 1 的衰减是
③的句子

对数直观 — 反向提问

你若把 log_a N 的两个位置对调,问的数就变了。前面是底数,后面是真数;对调之后,幂的前后颠倒,变成另一式。底数为 1、为负,或真数小于等于 0 时,这个符号本身没有定义,不能因为样子像就拿去算。把积的对数拆成对数之和,只在真数是积时成立;真数是和时照搬就会错。省略底数、只改真数来读,同一串字会指向别的值。

💡 对数问的是「乘了几次?」
①log_2(8) = 3 →「2 乘几次得 8?」→ 3 次
②对数尺上乘法呈等间距
③地震震级、分贝、pH 都是对数刻度

指数律与对数律

指数律
am × an = am+n, am ÷ an = am-n
同底相乘 → 指数相加
对数的定义
ax = N ⟺ x = loga N
底 a 自乘多少次得 N
对数律
loga MN = loga M + loga N
积的对数 = 对数之和
换底公式
loga b = logc blogc a
可用任意底 c 换算

指数·对数的关系

🔗 指数与对数互为镜像
①指数:底和指数 → 值(2^3 = 8)
②对数:底和值 → 指数(log_2 8 = 3)
③一方已知即可得另一方
④图象关于 y = x 对称
⑤常用对数与自然对数的区分在同一章后面
核心性质
alog_a N = N, loga ax = x
指数与对数互为逆运算

总结

核心
loga N = x ⟺ ax = N
对数为指数的逆运算
🎯 考试要点
①定义:a^x = N ⟺ log_a N = x
②底条件:a > 0, a ≠ 1, N > 0
③对数律:积→和、商→差、幂→系数
④换底:log_a b = log_c b / log_c a
⑤常用对数(log₁₀)与自然对数(ln)区分

例题与真题

例题 1
求 log2 8 + log2 4 的值。
1
同底对数之和可合并为真数之积的对数。
log2 8 + log2 4 = log2 (8 × 4) = log2 32
2
因为 32 = 25,所以对数值等于指数 5。
log2 32 = log2 25 = 5
5
把同底对数之和合并成积,再写成幂的形式。
例题 2
若 log2 3 = a,用 a 表示 log2 24。
1
分解 24 = 23 × 3。
log2 24 = log2 (23 × 3) = log2 23 + log2 3
2
log2 23 = 3,log2 3 = a。
= 3 + a
a + 3
把真数分解为底的幂与剩余因数的乘积是关键。
高考题型
若 log3 5 = a,log3 4 = b,用 a、b 表示 log3 80?(其中 80 = 16 × 5)
a + b
a + 2b
2a + b
ab
2a + 2b
② a + 2b
1
分解 80 = 42 × 5。
log3 80 = log3 (42 × 5) = log3 42 + log3 5
2
log3 42 = 2 log3 4 = 2b,log3 5 = a。
= 2b + a = a + 2b
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