第6讲 对数与对数函数(教师版)
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六讲 对数与对数函数1.对数的概念如果a x =N (a >0且a ≠1),那么数x 叫做以a 为底N 的对数,记作x =log a N ,其中 a 叫做对数的底数, N 叫做真数. 2.对数的性质与运算法则 (1)对数的运算法则如果a >0且a ≠1,M >0,N >0,那么 ①log a (MN )=log a M +log a N ; ②log a MN=log a M -log a N ;③log a M n =n log a M (n ∈R );④log am M n =nm log a M (m ,n ∈R ,且m ≠0).(2)对数的性质 ①alog a N= N ;②log a a N = N (a >0且a ≠1).(3)对数的重要公式①换底公式:log b N =log a Nlog a b (a ,b 均大于零且不等于1);②log a b =1log b a ,推广log a b ·log b c ·log c d =log a d .3.对数函数的图象与性质a >10<a <1图象性质(1)定义域:(0,+∞)(2)值域:R(3)过定点(1,0),即x =1时,y =0(4)当x >1时,y >0 (5)当x >1时,y <0 当0<x <1时,y >0当0<x <1时,y <0 (6)在(0,+∞)上是增函数(7)在(0,+∞)上是减函数4.反函数指数函数y =a x 与对数函数y =log a x 互为反函数,它们的图象关于直线 y =x 对称. 【思考辨析】判断下面结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”) (1)若MN >0,则log a (MN )=log a M +log a N .( × ) (2)log a x ·log a y =log a (x +y ).( × )(3)函数y =log 2x 及y =log 133x 都是对数函数.( × )(4)对数函数y =log a x (a >0,且a ≠1)在(0,+∞)上是增函数.( × ) (5)函数y =ln 1+x1-x与y =ln(1+x )-ln(1-x )的定义域相同.( √ )(6)对数函数y =log a x (a >0且a ≠1)的图象过定点(1,0),且过点(a,1),⎝⎛⎭⎫1a ,-1,函数图象只在第一、四象限.( √ )1.(2015·湖南)设函数f (x )=ln(1+x )-ln(1-x ),则f (x )是( ) A .奇函数,且在(0,1)上是增函数 B .奇函数,且在(0,1)上是减函数 C .偶函数,且在(0,1)上是增函数 D .偶函数,且在(0,1)上是减函数 答案 A解析 易知函数定义域为(-1,1),f (-x )=ln(1-x )-ln(1+x )=-f (x ),故函数f (x )为奇函数,又f (x )=ln 1+x 1-x =ln ⎝ ⎛⎭⎪⎫-1-2x -1,由复合函数单调性判断方法知,f (x )在(0,1)上是增函数,故选A.2.已知a =312,b =log 1312,c =log 213,则( )A .a >b >cB .b >c >aC .c >b >aD .b >a >c答案 A解析 a =3>1,0<b =log 1312=log 32<1,c =log 213=-log 23<0,故a >b >c ,故选A.3.函数f (x )=lg(|x |-1)的大致图象是( )答案 B解析 由函数f (x )=lg(|x |-1)的定义域为(-∞,-1)∪(1,+∞),值域为R .又当x >1时,函数单调递增,所以只有选项B 正确.4.(教材改编)若log a 34<1(a >0,且a ≠1),则实数a 的取值范围是( )A.⎝⎛⎭⎫0,34 B .(1,+∞) C.⎝⎛⎭⎫0,34∪(1,+∞) D.⎝⎛⎭⎫34,1答案 C解析 当0<a <1时,log a 34<log a a =1,∴0<a <34;当a >1时,log a 34<log a a =1,∴a >1.∴实数a 的取值范围是⎝⎛⎭⎫0,34∪(1,+∞). 5.(2015·浙江)若a =log 43,则2a +2-a = . 答案 43 3解析 2a +2-a =24log 3+24log 3-=2log 323log=3+33=433.题型一 对数式的运算例1 (1)设2a =5b =m ,且1a +1b =2,则m 等于( )A.10 B .10 C .20 D .100 (2)lg 5+lg 20的值是 . 答案 (1)A (2)1解析 (1)∵2a =5b =m ,∴a =log 2m ,b =log 5m , ∴1a +1b =1log 2m +1log 5m =log m 2+log m 5=log m 10=2. ∴m =10.(2)原式=lg 100=lg 10=1.思维升华 在对数运算中,要熟练掌握对数的定义,灵活使用对数的运算性质、换底公式和对数恒等式对式子进行恒等变形,多个对数式要尽量先化成同底的形式再进行运算.(1)计算:(1-log 63)2+log 62·log 618log 64= .(2)已知log a 2=m ,log a 3=n ,则a 2m +n = . 答案 (1)1 (2)12 解析 (1)原式=1-2log 63+(log 63)2+log 663·log 6(6×3)log 64=1-2log 63+(log 63)2+(1-log 63)(1+log 63)log 64=1-2log 63+(log 63)2+1-(log 63)2log 64=2(1-log 63)2log 62=log 66-log 63log 62=log 62log 62=1.(2)∵log a 2=m ,log a 3=n ,∴a m =2,a n =3, ∴a 2m +n =(a m )2·a n =22×3=12.题型二 对数函数的图象及应用例2 (1)函数y =2log 4(1-x )的图象大致是( )(2)当0<x ≤12时,4x <log a x ,则a 的取值范围是( )A.⎝⎛⎭⎫0,22 B.⎝⎛⎭⎫22,1C .(1,2)D .(2,2)答案 (1)C (2)B解析 (1)函数y =2log 4(1-x )的定义域为(-∞,1),排除A 、B ;又函数y =2log 4(1-x )在定义域内单调递减,排除D.选C.(2)方法一 构造函数f (x )=4x 和g (x )=log a x ,当a >1时不满足条件,当0<a <1时,画出两个函数在⎝⎛⎦⎤0,12上的图象,可知f ⎝⎛⎭⎫12<g ⎝⎛⎭⎫12,即2<log a 12,则a >22,所以a 的取值范围为⎝⎛⎭⎫22,1.方法二 ∵0<x ≤12,∴1<4x ≤2,∴log a x >4x >1,∴0<a <1,排除选项C ,D ;取a =12,x =12,则有412=2,log 1212=1, 显然4x <log a x 不成立,排除选项A.思维升华 应用对数型函数的图象可求解的问题(1)对一些可通过平移、对称变换作出其图象的对数型函数,在求解其单调性(单调区间)、值域(最值)、零点时,常利用数形结合思想.(2)一些对数型方程、不等式问题常转化为相应的函数图象问题,利用数形结合法求解.(1)已知lg a +lg b =0,则函数f (x )=a x 与函数g (x )=-log b x 的图象可能是( )(2)设方程10x=|lg(-x)|的两个根分别为x1,x2,则()A.x1x2<0 B.x1x2=1C.x1x2>1 D.0<x1x2<1答案(1)B(2)D解析(1)∵lg a+lg b=0,∴ab=1,∵g(x)=-log b x的定义域是(0,+∞),故排除A.若a>1,则0<b<1,此时f(x)=a x是增函数,g(x)=-log b x是增函数.故选B.(2)构造函数y=10x与y=|lg(-x)|,并作出它们的图象,如图所示.因为x1,x2是10x=|lg(-x)|的两个根,则两个函数图象交点的横坐标分别为x1,x2,不妨设x2<-1,-1<x1<0,则10x1=-lg(-x1),10x2=lg(-x2),因此10x2-10x1=lg(x1x2),因为10x2-10x1<0,所以lg(x1x2)<0,即0<x1x2<1,故选D.题型三对数函数的性质及应用命题点1比较对数值的大小例3设a=log36,b=log510,c=log714,则()A.c>b>a B.b>c>aC.a>c>b D.a>b>c答案D解析 由对数运算法则得a =log 36=1+log 32,b =1+log 52,c =1+log 72,由对数函数图象得log 32>log 52>log 72,所以a >b >c ,故选D. 命题点2 解对数不等式例4 若log a (a 2+1)<log a 2a <0,则a 的取值范围是( ) A .(0,1) B .(0,12)C .(12,1)D .(0,1)∪(1,+∞)答案 C解析 由题意得a >0,故必有a 2+1>2a , 又log a (a 2+1)<log a 2a <0,所以0<a <1, 同时2a >1,∴a >12.综上,a ∈(12,1).命题点3 和对数函数有关的复合函数 例5 已知函数f (x )=log a (3-ax ).(1)当x ∈[0,2]时,函数f (x )恒有意义,求实数a 的取值范围;(2)是否存在这样的实数a ,使得函数f (x )在区间[1,2]上为减函数,并且最大值为1?如果存在,试求出a 的值;如果不存在,请说明理由. 解 (1)∵a >0且a ≠1,设t (x )=3-ax , 则t (x )=3-ax 为减函数,x ∈[0,2]时,t (x )的最小值为3-2a , 当x ∈[0,2]时,f (x )恒有意义, 即x ∈[0,2]时,3-ax >0恒成立. ∴3-2a >0.∴a <32.又a >0且a ≠1,∴a ∈(0,1)∪⎝⎛⎭⎫1,32. (2)t (x )=3-ax ,∵a >0,∴函数t (x )为减函数. ∵f (x )在区间[1,2]上为减函数,∴y =log a t 为增函数,∴a >1,x ∈[1,2]时,t (x )最小值为3-2a ,f (x )最大值为f (1)=log a (3-a ),∴⎩⎪⎨⎪⎧3-2a >0,log a (3-a )=1,即⎩⎨⎧a <32,a =32.故不存在这样的实数a ,使得函数f (x )在区间[1,2]上为减函数,并且最大值为1.思维升华 在解决与对数函数相关的比较大小或解不等式问题时,要优先考虑利用对数函数的单调性来求解.在利用单调性时,一定要明确底数a 的取值对函数增减性的影响,及真数必须为正的限制条件.(1)设a =log 32,b =log 52,c =log 23,则( ) A .a >c >b B .b >c >a C .c >b >aD .c >a >b(2)若f (x )=lg(x 2-2ax +1+a )在区间(-∞,1]上递减,则a 的取值范围为( ) A .[1,2) B .[1,2] C .[1,+∞)D .[2,+∞)(3)设函数f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧log 2x ,x >0,log 12(-x ),x <0,若f (a )>f (-a ),则实数a 的取值范围是( )A .(-1,0)∪(0,1)B .(-∞,-1)∪(1,+∞)C .(-1,0)∪(1,+∞)D .(-∞,-1)∪(0,1)答案 (1)D (2)A (3)C解析 (1)∵3<2<3,1<2<5,3>2, ∴log 33<log 32<log 33,log 51<log 52<log 55,log 23>log 22, ∴12<a <1,0<b <12,c >1,∴c >a >b . (2)令函数g (x )=x 2-2ax +1+a =(x -a )2+1+a -a 2,对称轴为x =a ,要使函数在(-∞,1]上递减,则有⎩⎪⎨⎪⎧ g (1)>0,a ≥1,即⎩⎪⎨⎪⎧2-a >0,a ≥1,解得1≤a <2,即a ∈[1,2),故选A.(3)由题意可得⎩⎪⎨⎪⎧a >0,log 2a >log 12a或⎩⎪⎨⎪⎧a <0,log 12(-a )>log 2(-a ),解得a >1或-1<a <0.2.比较指数式、对数式的大小典例 (1)设a =0.50.5,b =0.30.5,c =log 0.30.2,则a ,b ,c 的大小关系是( ) A .c <b <a B .a <b <c C .b <a <cD .a <c <b(2)设a =log 2π,b =log 12π,c =π-2,则( ) A .a >b >c B .b >a >c C .a >c >bD .c >b >a(3)已知324log 0.3log 3.4log 3.6155()5a b c =,=,=,则( ) A .a >b >c B .b >a >c C .a >c >bD .c >a >b思维点拨 (1)可根据幂函数y =x 0.5的单调性或比商法确定a ,b 的大小关系,然后利用中间值比较a ,c 大小.(2)a ,b 均为对数式,可化为同底,再利用中间变量和c 比较.(3)化为同底的指数式.解析 (1)根据幂函数y =x 0.5的单调性, 可得0.30.5<0.50.5<10.5=1,即b <a <1;根据对数函数y =log 0.3x 的单调性,可得log 0.30.2>log 0.30.3=1,即c >1.所以b <a <c .(2)∵a =log 2π>log 22=1,b =log 12π=log 21π<log 21=0,0<c =1π2<1,∴b <c <a .(3)c =(15)3log 0.3=53log 0.3-=310log 35.方法一 在同一坐标系中分别作出函数y =log 2x ,y =log 3x ,y =log 4x 的图象,如图所示.由图象知:log 23.4>log 3103>log 43.6.方法二 ∵log 3103>log 33=1,且103<3.4,∴log 3103<log 33.4<log 23.4.∵log 43.6<log 44=1,log 3103>1,∴log 43.6<log 3103.∴log 23.4>log 3103>log 43.6.由于y =5x为增函数,∴52log 3.4>310log 35>54log 3.6.即52log 3.4>3log 0.31()5>54log 3.6,故a >c >b .答案 (1)C (2)C (3)C温馨提醒 (1)比较指数式和对数式的大小,可以利用函数的单调性,引入中间量;有时也可用数形结合的方法.(2)解题时要根据实际情况来构造相应的函数,利用函数单调性进行比较,如果指数相同,而底数不同则构造幂函数,若底数相同而指数不同则构造指数函数,若引入中间量,一般选0或1.[方法与技巧]1.对数值取正、负值的规律当a>1且b>1或0<a<1且0<b<1时,log a b>0;当a>1且0<b<1或0<a<1且b>1时,log a b<0.2.对数函数的定义域及单调性在对数式中,真数必须是大于0的,所以对数函数y=log a x的定义域应为(0,+∞).对数函数的单调性和a的值有关,因而,在研究对数函数的单调性时,要按0<a<1和a>1进行分类讨论.3.比较幂、对数大小有两种常用方法:(1)数形结合;(2)找中间量结合函数单调性.4.多个对数函数图象比较底数大小的问题,可通过比较图象与直线y=1交点的横坐标进行判定.[失误与防范]1.在运算性质log a Mα=αlog a M中,要特别注意条件,在无M>0的条件下应为log a Mα=αlog a|M|(α∈N*,且α为偶数).2.解决与对数函数有关的问题时需注意两点:(1)务必先研究函数的定义域;(2)注意对数底数的取值范围.A组专项基础训练(时间:30分钟)1.若函数y=log a x(a>0,且a≠1)的图象如图所示,则下列函数图象正确的是()答案 B解析 由题图可知y =log a x 的图象过点(3,1), ∴log a 3=1,即a =3.A 项,y =3-x =(13)x 在R 上为减函数,错误;B 项,y =x 3符合;C 项,y =(-x )3=-x 3在R 上为减函数,错误;D 项,y =log 3(-x )在(-∞,0)上为减函数,错误. 2.已知x =ln π,y =log 52,z =e 12,则( )A .x <y <zB .z <x <yC .z <y <xD .y <z <x答案 D解析 ∵x =ln π>ln e ,∴x >1. ∵y =log 52<log 55,∴0<y <12.∵z =e -12=1e >14=12,∴12<z <1.综上可得,y <z <x .3.若函数f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧⎝⎛⎭⎫12x (x ≥4),f (x +1) (x <4),则f (log 23)等于( )A.16 B.112 C.124 D.13答案 C解析 ∵1<log 23<log 24=2,∴3+log 23∈(4,5), ∴f (log 23)=f (log 23+1)=f (log 23+2) =f (log 23+3)=f (log 224) =⎝⎛⎭⎫122log 24=22log 24- =221log 24=124. 4.设f (x )=lg ⎝⎛⎭⎫21-x +a 是奇函数,则使f (x )<0的x 的取值范围是( )A .(-1,0)B .(0,1)C .(-∞,0)D .(-∞,0)∪(1,+∞)答案 A解析 由f (x )是奇函数可得a =-1, ∴f (x )=lg 1+x1-x ,定义域为(-1,1).由f (x )<0,可得0<1+x1-x<1,∴-1<x <0.5.定义在R 上的函数f (x )满足f (-x )=-f (x ),f (x -2)=f (x +2),且x ∈(-1,0)时,f (x )=2x +15,则f (log 220)等于( ) A .1 B.45 C .-1 D .-45答案 C解析 由f (x -2)=f (x +2),得f (x )=f (x +4),因为4<log 220<5,所以f (log 220)=f (log 220-4)=-f (4-log 220)=-f (log 245)=-(224log 5+15)=-1.6.函数f (x )=log 2x ·log 2(2x )的最小值为 .答案 -14解析 显然x >0,∴f (x )=log 2x ·log 2(2x )=12log 2x ·log 2(4x 2)=12log 2x ·(log 24+2log 2x )=log 2x+(log 2x )2=⎝⎛⎭⎫log 2x +122-14≥-14.当且仅当x =22时,有f (x )min =-14. 7.设函数f (x )满足f (x )=1+f (12)log 2x ,则f (2)= .答案 32解析 由已知得f (12)=1-f (12)·log 22,则f (12)=12,则f (x )=1+12·log 2x ,故f (2)=1+12·log 22=32.8.(2015·福建)若函数f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧-x +6,x ≤2,3+log a x ,x >2(a >0,且a ≠1)的值域是[4,+∞),则实数a的取值范围是 . 答案 (1,2]解析 由题意f (x )的图象如右图,则⎩⎪⎨⎪⎧a >1,3+log a 2≥4,∴1<a ≤2.9.设f (x )=log a (1+x )+log a (3-x )(a >0,a ≠1),且f (1)=2. (1)求a 的值及f (x )的定义域; (2)求f (x )在区间[0,32]上的最大值.解 (1)∵f (1)=2,∴log a 4=2(a >0,a ≠1), ∴a =2.由⎩⎪⎨⎪⎧1+x >0,3-x >0,得x ∈(-1,3), ∴函数f (x )的定义域为(-1,3). (2)f (x )=log 2(1+x )+log 2(3-x )=log 2(1+x )(3-x )=log 2[-(x -1)2+4], ∴当x ∈(-1,1]时,f (x )是增函数; 当x ∈(1,3)时,f (x )是减函数,故函数f (x )在[0,32]上的最大值是f (1)=log 24=2.B 组 专项能力提升 (时间:20分钟)10.(2015·陕西)设f (x )=ln x,0<a <b ,若p =f (ab ),q =f ⎝⎛⎭⎫a +b 2,r =12(f (a )+f (b )),则下列关系式中正确的是( ) A .q =r <p B .p =r <q C .q =r >p D .p =r >q答案 B解析 ∵0<a <b ,∴a +b2>ab ,又∵f (x )=ln x 在(0,+∞)上为增函数, ∴f ⎝⎛⎭⎪⎫a +b 2>f (ab ),即q >p . 又r =12(f (a )+f (b ))=12(ln a +ln b )=ln ab =p ,故p =r <q .选B.11.设函数f (x )定义在实数集上,f (2-x )=f (x ),且当x ≥1时,f (x )=ln x ,则有( ) A .f (13)<f (2)<f (12)B .f (12)<f (2)<f (13)C .f (12)<f (13)<f (2)D .f (2)<f (12)<f (13)答案 C解析 由f (2-x )=f (x )知f (x )的图象关于直线x =2-x +x2=1对称,又当x ≥1时,f (x )=ln x ,所以离对称轴x =1距离大的x 的函数值大, ∵|2-1|>|13-1|>|12-1|,∴f (12)<f (13)<f (2).12.函数f (x )=|log 3x |在区间[a ,b ]上的值域为[0,1],则b -a 的最小值为 . 答案 23解析 由题意可知求b -a 的最小值即求区间[a ,b ]的长度的最小值,当f (x )=0时x =1,当f (x )=1时x =3或13,所以区间[a ,b ]的最短长度为1-13=23,所以b -a 的最小值为23.13.已知函数f (x )=ln x1-x ,若f (a )+f (b )=0,且0<a <b <1,则ab 的取值范围是 .答案 ⎝⎛⎭⎫0,14 解析 由题意可知ln a 1-a +ln b1-b=0,即ln ⎝ ⎛⎭⎪⎫a 1-a ×b 1-b =0,从而a 1-a ×b1-b=1,化简得a +b =1,故ab =a (1-a )=-a 2+a =-⎝⎛⎭⎫a -122+14, 又0<a <b <1,∴0<a <12,故0<-⎝⎛⎭⎫a -122+14<14. 14.设x ∈[2,8]时,函数f (x )=12log a (ax )·log a (a 2x )(a >0,且a ≠1)的最大值是1,最小值是-18,求a 的值.解 由题意知f (x )=12(log a x +1)(log a x +2)=12(log 2a x +3log a x +2)=12(log a x +32)2-18.高三·数学(理) 天道酬勤,勤能补拙! 21 当f (x )取最小值-18时,log a x =-32.又∵x ∈[2,8],∴a ∈(0,1).∵f (x )是关于log a x 的二次函数,∴函数f (x )的最大值必在x =2或x =8时取得.若12(log a 2+32)2-18=1,则a =213-,此时f (x )取得最小值时, x =(2-13)32-=2∉[2,8],舍去.若12(log a 8+32)2-18=1,则a =12,此时f (x )取得最小值时,x =(12)-32=22∈[2,8],符合题意,∴a =12.。