Показникові й логарифмічні рівняння із заміною змінної
~20 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Математика — повний курс.
Показникові рівняння зводяться до квадратних заміною t = aˣ (t > 0), логарифмічні — заміною t = logₐ x (ОДЗ x > 0). Розпізнай квадратну структуру, врахуй обмеження нової змінної й обов'язково повернись до x.
Показникове рівняння має квадратну структуру, якщо після застосування властивостей степенів його можна записати як квадратне рівняння відносно виразу aˣ. Основна ідея — помітити, що a^(2x) = (aˣ)², а також a^(x + k) = aᵏ · aˣ і a^(k − x) = aᵏ / aˣ. Заміна t = aˣ перетворює рівняння на квадратне, але з обов’язковою умовою t > 0, оскільки показникова функція набуває лише додатних значень.
Ключові перетворення
Перш ніж уводити заміну, потрібно звести всі доданки до спільної основи a. Найчастіше вживані формули:
a^(2x) = (aˣ)² — основа для виділення квадрата
a^(x + k) = aᵏ · aˣ — додавання показника перетворюється на множення
a^(k − x) = aᵏ / aˣ — віднімання показника перетворюється на ділення
Наприклад, 4ˣ = (2²)ˣ = 2^(2x) = (2ˣ)². Так само 9ˣ = (3²)ˣ = (3ˣ)², 25ˣ = (5²)ˣ = (5ˣ)². Вираз 2^(x + 1) = 2 · 2ˣ, а 2^(1 − x) = 2 / 2ˣ.
Стандартний алгоритм
Звести всі степені до однієї основи a.
Записати рівняння через aˣ, використовуючи ключові перетворення.
Увести заміну t = aˣ, де t > 0.
Розв’язати квадратне рівняння відносно t.
Відкинути значення t ≤ 0.
Для кожного додатного t розв’язати найпростіше показникове рівняння aˣ = t.
Приклад 1: 4ˣ − 3 · 2ˣ − 4 = 0
Помічаємо, що 4ˣ = (2²)ˣ = (2ˣ)². Позначимо t = 2ˣ, t > 0. Тоді рівняння набуває вигляду t² − 3t − 4 = 0. Розв’язуємо: дискримінант D = 9 + 16 = 25, корені t₁ = (3 + 5)/2 = 4, t₂ = (3 − 5)/2 = −1. Значення t₂ = −1 ≤ 0 відкидаємо. Повертаємося до x: 2ˣ = 4 ⇒ x = 2. Відповідь: x = 2.
Приклад 2: 9ˣ − 4 · 3ˣ + 3 = 0
Маємо 9ˣ = (3ˣ)². Заміна t = 3ˣ, t > 0. Рівняння: t² − 4t + 3 = 0. Корені: t = 1 або t = 3. Обидва додатні. Повертаємося: 3ˣ = 1 ⇒ x = 0; 3ˣ = 3 ⇒ x = 1. Відповідь: x = 0 або x = 1.
Приклад 3: 4ˣ − 2^(x + 1) − 8 = 0
Тут 4ˣ = (2ˣ)², а 2^(x + 1) = 2 · 2ˣ. Заміна t = 2ˣ, t > 0. Рівняння: t² − 2t − 8 = 0. Дискримінант D = 4 + 32 = 36, корені t₁ = (2 + 6)/2 = 4, t₂ = (2 − 6)/2 = −2. t₂ = −2 ≤ 0 відкидаємо. 2ˣ = 4 ⇒ x = 2. Відповідь: x = 2.
Взаємно обернені степені
Окремий випадок — рівняння, що містять aˣ і a⁻ˣ = 1/aˣ (взаємно обернені вирази) або a^(k − x) = aᵏ/aˣ, який відрізняється від 1/aˣ сталим множником aᵏ. Після заміни t = aˣ вираз a⁻ˣ стає 1/t, а a^(k − x) — aᵏ/t. Множимо обидві частини рівняння на t ≠ 0 й отримуємо квадратне.
Розв’яжемо 2ˣ + 2^(1 − x) = 3. Маємо 2^(1 − x) = 2 / 2ˣ. Заміна t = 2ˣ, t > 0. Рівняння: t + 2/t = 3. Множимо на t: t² + 2 = 3t ⇒ t² − 3t + 2 = 0. Корені: t = 1 або t = 2. Обидва додатні. 2ˣ = 1 ⇒ x = 0; 2ˣ = 2 ⇒ x = 1. Відповідь: x = 0 або x = 1.
Ще один приклад: 3ˣ − 3^(2 − x) = 8. Тут 3^(2 − x) = 9 / 3ˣ. Заміна t = 3ˣ, t > 0. Рівняння: t − 9/t = 8. Множимо на t: t² − 9 = 8t ⇒ t² − 8t − 9 = 0. Корені: t = 9 або t = −1. t = −1 ≤ 0 відкидаємо. 3ˣ = 9 ⇒ x = 2. Відповідь: x = 2.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Логарифмічне рівняння має квадратну структуру, якщо його можна записати як квадратне рівняння відносно logₐ x. Заміна t = logₐ x перетворює його на квадратне. На відміну від показникової заміни, обмеження на t тут немає — логарифм може бути будь-яким дійсним числом. Однак обов’язковою є ОДЗ: x > 0.
Як читати запис log²₂ x
Запис log²₂ x означає (log₂ x)², а не log₂(x²). Квадрат записують після позначення логарифма, перед основою. Якщо мають на увазі логарифм від квадрата, пишуть log₂(x²).
Стандартний алгоритм
Записати ОДЗ: x > 0.
Звести всі логарифми до однієї основи.
Увести заміну t = logₐ x.
Розв’язати квадратне рівняння відносно t.
Для кожного знайденого t (від’ємні не відкидаємо!) розв’язати рівняння x = aᵗ.
Перевірити, чи належать знайдені x ОДЗ.
Приклад 1: log²₂ x − 3 log₂ x + 2 = 0
ОДЗ: x > 0. Заміна t = log₂ x. Рівняння: t² − 3t + 2 = 0. Корені: t = 1 або t = 2. Обидва значення t допустимі. Повертаємося: log₂ x = 1 ⇒ x = 2; log₂ x = 2 ⇒ x = 4. Обидва корені належать ОДЗ. Відповідь: x = 2 або x = 4.
Приклад 2: lg² x − lg x − 2 = 0
Тут lg — десятковий логарифм, lg x = log₁₀ x. ОДЗ: x > 0. Заміна t = lg x. Рівняння: t² − t − 2 = 0. Корені: t = 2 або t = −1. Зверни увагу: значення t = −1 не відкидаємо — логарифм може бути від’ємним! Повертаємося: lg x = 2 ⇒ x = 10² = 100; lg x = −1 ⇒ x = 10⁻¹ = 0,1. Обидва корені додатні, належать ОДЗ. Відповідь: x = 100 або x = 0,1.
Зведення до однієї функції: log²₃ x − log₃(x²) − 3 = 0
Використовуємо властивість логарифма: за умови x > 0 маємо log₃(x²) = 2 log₃ x. Тоді рівняння набуває вигляду log²₃ x − 2 log₃ x − 3 = 0. Заміна t = log₃ x: t² − 2t − 3 = 0, корені t = 3 або t = −1. Повертаємося: log₃ x = 3 ⇒ x = 27; log₃ x = −1 ⇒ x = 1/3. Обидва корені додатні. Відповідь: x = 27 або x = 1/3.
Взаємно обернені логарифми: log₂ x + 2 logₓ 2 = 3
Тут використовуємо формулу переходу до іншої основи: logₓ a = 1 / logₐ x за умови x > 0, x ≠ 1. У нашому рівнянні logₓ 2 = 1 / log₂ x. Заміна t = log₂ x, тоді t + 2/t = 3. Множимо на t ≠ 0: t² + 2 = 3t ⇒ t² − 3t + 2 = 0. Корені: t = 1 або t = 2. Повертаємося: log₂ x = 1 ⇒ x = 2; log₂ x = 2 ⇒ x = 4. Обидва корені додатні й не дорівнюють 1, тому вони задовольняють ОДЗ і умову x ≠ 1. Відповідь: x = 2 або x = 4.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Найпоширеніша помилка під час розв’язування рівнянь заміною змінної — забути про обмеження на нову змінну або про те, що в кінці треба повернутися до початкової змінної. Розберімося детально.
Обмеження для t = aˣ
Показникова функція y = aˣ (де a > 0, a ≠ 1) набуває лише додатних значень. Тому після заміни t = aˣ обов’язково має виконуватися умова t > 0. Усі значення t ≤ 0, знайдені з квадратного рівняння, треба відкинути — вони не відповідають жодному x, оскільки рівняння aˣ = t при t ≤ 0 коренів не має.
Наприклад, у рівнянні 4ˣ + 3 · 2ˣ + 2 = 0 робимо заміну t = 2ˣ, t > 0. Квадратне рівняння t² + 3t + 2 = 0 має два корені: t = −1 і t = −2. Обидва від’ємні, тому жоден не дає кореня початкового рівняння. Відповідь: коренів немає.
Обмеження для t = logₐ x
Логарифмічна функція y = logₐ x визначена для x > 0 і набуває всіх дійсних значень. Тому після заміни t = logₐ x значення t може бути будь-яким — і додатним, і від’ємним, і нулем. Жодне значення t не відкидаємо через його знак. Обмеження стосується лише x: після повернення x = aᵗ автоматично отримуємо x > 0, що задовольняє ОДЗ.
Окремий випадок: коли в рівнянні є logₓ a (логарифм зі змінною в основі), додатково вимагаємо x ≠ 1, оскільки основа логарифма не може дорівнювати 1. Через заміну t = logₐ x умова t ≠ 0 — це аналог x ≠ 1.
Повернення до початкової змінної
У відповідь завжди записуємо x, а не t. Типова пастка: знайшли t = 5 і записали «5» як відповідь, хоча aˣ = 5 дає зовсім інше значення x. Завжди виконуй обернену заміну.
Кількість коренів
Кількість коренів показникового рівняння дорівнює кількості додатних значень t, знайдених із квадратного рівняння. Якщо обидва корені квадратного рівняння від’ємні — початкове рівняння коренів не має. Якщо один додатний — один корінь. Якщо два додатні — два корені.
Сума й добуток коренів
Для показникового рівняння суму коренів знаходимо, обчисливши кожен корінь і додавши їх. Наприклад, для 9ˣ − 4 · 3ˣ + 3 = 0 маємо x₁ = 0, x₂ = 1, сума 0 + 1 = 1.
Для логарифмічного рівняння добуток коренів можна знайти без обчислення самих коренів. Якщо t₁, t₂ — корені квадратного рівняння для t = logₐ x, то x₁ = aᵗ¹, x₂ = aᵗ², а їхній добуток x₁ · x₂ = a^(t₁ + t₂). Наприклад, у рівнянні lg² x − lg x − 2 = 0 маємо t₁ = 2, t₂ = −1, тому x₁ · x₂ = 10^(2 − 1) = 10¹ = 10. Дійсно, корені 100 і 0,1 дають добуток 10.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Розгляньмо п’ять завдань, які охоплюють усі типи рівнянь цієї теми. Кожен приклад супроводжується покроковим розв’язанням і аналізом типових пасток.
Приклад 1. Розв’яжіть рівняння 25ˣ − 4 · 5ˣ − 5 = 0
Формат: вибір однієї відповіді з п’яти. Варіанти: «1», «5», «−1; 1», «0; 1», «−1; 5».
Крок 1. Помічаємо, що 25ˣ = (5²)ˣ = (5ˣ)².
Крок 2. Заміна t = 5ˣ, t > 0. Рівняння t² − 4t − 5 = 0.
Крок 3. Розв’язуємо квадратне рівняння: (t − 5)(t + 1) = 0, звідси t = 5 або t = −1.
Крок 4. t = −1 ≤ 0 — відкидаємо. Залишається t = 5.
Крок 5. Повертаємося: 5ˣ = 5 ⇒ x = 1.
Відповідь: x = 1, тобто правильний варіант — «1».
Чому інші варіанти пастки? «5» — записали значення t замість x. «−1; 1» — не відкинули t = −1 і з рівняння 5ˣ = −1 «отримали» x = −1, що неможливо. «0; 1» — помилково розв’язали 5ˣ = 0 і «отримали» x = 0.
Приклад 2. Знайдіть суму коренів рівняння 9ˣ − 12 · 3ˣ + 27 = 0
Формат: коротка відповідь (число).
Крок 1. 9ˣ = (3ˣ)². Заміна t = 3ˣ, t > 0.
Крок 2. Рівняння t² − 12t + 27 = 0. Дискримінант D = 144 − 108 = 36. Корені: t₁ = (12 + 6)/2 = 9, t₂ = (12 − 6)/2 = 3. Обидва додатні.
Крок 3. Повертаємося: 3ˣ = 9 ⇒ x = 2; 3ˣ = 3 ⇒ x = 1.
Крок 4. Сума коренів: 1 + 2 = 3.
Відповідь: 3.
Пастка: 12 — сума значень t (9 + 3 = 12), а не x.
Приклад 3. Знайдіть добуток коренів рівняння log²₃ x − log₃ x − 2 = 0
Формат: коротка відповідь (число).
Крок 1. ОДЗ: x > 0. Заміна t = log₃ x.
Крок 2. Рівняння t² − t − 2 = 0. Корені: t = 2 або t = −1.
Крок 3. Повертаємося: log₃ x = 2 ⇒ x = 3² = 9; log₃ x = −1 ⇒ x = 3⁻¹ = 1/3.
Крок 4. Добуток коренів: 9 · (1/3) = 3.
Відповідь: 3.
Пастки: −2 — добуток значень t (2 · (−1) = −2); 9 — відкинули від’ємне t = −1 і втратили корінь 1/3.
Приклад 4. Скільки коренів має рівняння 4ˣ + 2^(x + 1) − 3 = 0?
Формат: вибір однієї відповіді з п’яти: жодного, один, два, три, чотири.
Крок 1. 4ˣ = (2ˣ)²; 2^(x + 1) = 2 · 2ˣ.
Крок 2. Заміна t = 2ˣ, t > 0. Рівняння t² + 2t − 3 = 0.
Крок 3. Корені: t = 1 або t = −3. t = −3 ≤ 0 — відкидаємо.
Крок 4. 2ˣ = 1 ⇒ x = 0. Рівняння має один корінь.
Відповідь: один.
Пастки: «два» — не відкинули t = −3 і «отримали» два корені; «жодного» — корінь x = 0 іноді помилково не визнають коренем.
Приклад 5. Знайдіть суму коренів рівняння 3ˣ + 3^(2 − x) = 10
Формат: коротка відповідь (число).
Крок 1. 3^(2 − x) = 3² / 3ˣ = 9 / 3ˣ.
Крок 2. Заміна t = 3ˣ, t > 0. Рівняння t + 9/t = 10.
Крок 3. Множимо на t ≠ 0: t² + 9 = 10t ⇒ t² − 10t + 9 = 0.
Крок 4. Корені: t = 1 або t = 9. Обидва додатні.
Крок 5. Повертаємося: 3ˣ = 1 ⇒ x = 0; 3ˣ = 9 ⇒ x = 2.
Крок 6. Сума коренів: 0 + 2 = 2.
Відповідь: 2.
Пастка: 10 — сума значень t (1 + 9 = 10), а не x.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Розв’язують рівняння
aˣ = −1і «отримують» корінь замість того, щоб відкинути від’ємнеt. Пам’ятай: показникова функція ніколи не набуває від’ємних значень, тому рівнянняaˣ = −1абоaˣ = −5не має розв’язку.Записують у відповідь значення
tзамістьx. Знайшлиt = 5з квадратного рівняння — це ще не відповідь! Обов’язково повернися доx:aˣ = tабоx = aᵗ.Відкидають від’ємне
tу логарифмічній заміні й гублять корінь. Наприклад, у рівнянніlg² x − lg x − 2 = 0один корінь даєlg x = −1 ⇒ x = 0,1. Відкинути його — помилка.Вважають, що
4ˣ = 2 · 2ˣ. Насправді4ˣ = (2²)ˣ = (2ˣ)². Так само плутають2^(x + 1)з2ˣ + 2, хоча правильно2^(x + 1) = 2 · 2ˣ.Плутають
log²₂ xзlog₂(x²). Перше — квадрат логарифма:(log₂ x)². Друге — логарифм від квадрата:2 log₂|x| (за x > 0 — 2 log₂ x).У рівнянні з
3^(2 − x)множать наtне всі доданки. Наприклад, у рівнянні3ˣ − 9/3ˣ = 8після множення на3ˣотримуємо(3ˣ)² − 9 = 8 · 3ˣ, а не(3ˣ)² − 9 = 8.Забувають умову
x ≠ 1, коли в рівнянні єlogₓ a. Основа логарифма не може дорівнювати 1. Якщо після розв’язання отрималиx = 1, цей корінь треба відкинути.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
На НМТ з математики завдання на показникові й логарифмічні рівняння із заміною змінної можуть з’явитися в різних форматах.
Формати завдань
У демоваріанті НМТ-2026 завдання 22 — це завдання з короткою відповіддю (0 або 2 бали) на показникове рівняння з параметром (профільний рівень). Його основа — саме заміна t = aˣ з умовою t > 0.
У вибірці реальних тестів 2023–2024 серед завдань 4–15 трапляються показникові й логарифмічні рівняння у форматі вибору однієї відповіді з п’яти (0 або 1 бал).
Рівні складності за програмою
Програма НМТ (тема 2.1) називає заміну змінної серед загальних методів розв’язування рівнянь — це рівень стандарту. Складніші рівняння з показниковими й логарифмічними виразами належать до профільного рівня (позначка П).
Запис відповіді
У завданнях з короткою відповіддю суму, добуток або кількість коренів записують числом. Якщо результат — десятковий дріб, його записують через кому, наприклад 0,1 або 2.
Стратегія виконання
Одразу після заміни випиши поруч обмеження на t: для показникової заміни — t > 0, для логарифмічної — x > 0. Це допоможе не пропустити сторонні значення й не втратити корені. Перевіряй, чи належать знайдені x ОДЗ, особливо в логарифмічних рівняннях.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Чому після заміни t = 2ˣ від’ємні значення t відкидаємо, а після t = log₂ x — ні?
Показникова функція y = 2ˣ набуває лише додатних значень: скільки б ми не підносили 2 до будь-якого степеня, результат завжди більший за 0. Тому 2ˣ = t має розв’язок лише при t > 0. Натомість логарифмічна функція y = log₂ x може набувати будь-яких значень: log₂ 0,5 = −1, log₂ 1 = 0, log₂ 2 = 1. Тому t = log₂ x може бути будь-яким числом. Відкидати від’ємні t у логарифмічній заміні — помилка.
Як побачити, що показникове рівняння зводиться до квадратного?
Шукай вирази, які можна записати як квадрат іншого виразу. Якщо бачиш 4ˣ, згадуй, що це (2ˣ)². Якщо бачиш 9ˣ, це (3ˣ)². Якщо бачиш log²₂ x, це (log₂ x)². Також звертай увагу на те, чи можна 2^(x + 1) подати як 2 · 2ˣ, а 2^(1 − x) як 2/2ˣ. Якщо після таких перетворень усі доданки містять лише aˣ або logₐ x — це ознака квадратної структури.
Що означає запис log²₂ x?
Запис log²₂ x означає квадрат логарифма, тобто (log₂ x)². Це стандартне позначення в математиці: спочатку пишуть назву функції, потім показник степеня, потім аргумент. Якщо мають на увазі логарифм від квадрата, пишуть log₂(x²) — з дужками. Не плутай ці два поняття: log₂(x²) = 2 log₂|x| (за x > 0 — 2 log₂ x), а log²₂ x = (log₂ x)².
Як знайти добуток коренів логарифмічного рівняння, не обчислюючи самих коренів?
Якщо t₁, t₂ — корені квадратного рівняння для t = logₐ x, то x₁ = aᵗ¹, x₂ = aᵗ². Тоді добуток x₁ · x₂ = aᵗ¹ · aᵗ² = a^(t₁ + t₂). Отже, достатньо знайти суму коренів квадратного рівняння для t (за теоремою Вієта) і піднести основу до цієї суми. Наприклад, якщо t₁ + t₂ = 1 для lg x, то x₁ · x₂ = 10¹ = 10.
Чи може рівняння не мати коренів, якщо квадратне рівняння для t має два корені?
Так. Наприклад, у рівнянні 4ˣ + 3 · 2ˣ + 2 = 0 заміна t = 2ˣ дає квадратне рівняння t² + 3t + 2 = 0, яке має два корені: t = −1 і t = −2. Обидва від’ємні, тому жоден не задовольняє умову t > 0. Отже, початкове показникове рівняння коренів не має. Кількість коренів показникового рівняння дорівнює кількості додатних значень t.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
У показниковому рівнянні шукай
a^(2x) = (aˣ)²— замінаt = aˣ,t > 0.Значення
t ≤ 0для показникової заміни відкидаємо: рівнянняaˣ = −1коренів не має.У логарифмічній заміні
t = logₐ xзначенняtможе бути будь-яким числом. Обмеження лише на ОДЗ:x > 0.Взаємно обернені вирази:
a⁻ˣ = 1 / aˣіlogₓ a = 1 / logₐ x; виразa^(k − x) = aᵏ / aˣпісля заміни дає доданокaᵏ / t— множимо наtй отримуємо квадратне рівняння.У відповідь записуємо
x, а неt. Завжди виконуй обернену заміну.Кількість коренів показникового рівняння дорівнює кількості додатних коренів
tквадратного рівняння.Запис
log²₂ xозначає(log₂ x)², а неlog₂(x²).
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. Скільки коренів має рівняння $4^x + 7 \cdot 2^x + 10 = 0$?
2. Розв’яжіть рівняння $36^x - 7 \cdot 6^x + 6 = 0$.
3. Розв'яжіть рівняння $49^x - 8 \cdot 7^x + 7 = 0$.
4. Розв’яжіть рівняння $4^x - 3 \cdot 2^{x+1} + 8 = 0$.
5. Розв'яжіть рівняння $\log_5 x + \log_x 5 = 2$.
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 9 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест