Różne zadania z logarytmów dla uczniów liceum

# Logarytmy – od podstaw do zadań maturalnych

Logarytmy to jeden z tych działów matematyki, który często sprawia uczniom trudności. Jednocześnie jest to zagadnienie niezwykle istotne, pojawiające się regularnie na egzaminach maturalnych i mające szerokie zastosowanie w naukach ścisłych. W tym artykule przedstawimy różne typy zadań z logarytmów, od podstawowych po bardziej zaawansowane, wraz z dokładnymi rozwiązaniami i wskazówkami.

Podstawy logarytmów

Zanim przejdziemy do rozwiązywania zadań, przypomnijmy najważniejsze definicje i własności logarytmów.

Logarytm liczby \(a\) przy podstawie \(b\) to taka liczba \(c\), że \(b^c = a\). Zapisujemy to jako:

\[ \log_b a = c \quad \Leftrightarrow \quad b^c = a \]

Gdzie:

  • \(a\) – liczba logarytmowana (musi być większa od 0)
  • \(b\) – podstawa logarytmu (musi być większa od 0 i różna od 1)
  • \(c\) – wynik logarytmowania

Najważniejsze własności logarytmów:

\[ \log_b (x \cdot y) = \log_b x + \log_b y \]

\[ \log_b \left(\frac{x}{y}\right) = \log_b x – \log_b y \]

\[ \log_b (x^n) = n \cdot \log_b x \]

\[ \log_b b = 1 \]

\[ \log_b 1 = 0 \]

\[ \log_b b^n = n \]

\[ \log_a x = \frac{\log_c x}{\log_c a} \]

Zadanie 1: Obliczanie wartości prostych logarytmów

Oblicz wartości następujących logarytmów:

a) \(\log_2 8\)

b) \(\log_3 81\)

c) \(\log_5 \frac{1}{25}\)

d) \(\log_{0,1} 1000\)

Rozwiązanie:

a) \(\log_2 8\)

Musimy znaleźć taką liczbę \(x\), że \(2^x = 8\).

Wiemy, że \(2^3 = 8\), więc \(\log_2 8 = 3\)

b) \(\log_3 81\)

Szukamy liczby \(x\), dla której \(3^x = 81\).

Zauważamy, że \(3^4 = 81\), więc \(\log_3 81 = 4\)

c) \(\log_5 \frac{1}{25}\)

Szukamy liczby \(x\), dla której \(5^x = \frac{1}{25}\).

Wiemy, że \(5^2 = 25\), więc \(5^{-2} = \frac{1}{25}\).

Zatem \(\log_5 \frac{1}{25} = -2\)

d) \(\log_{0,1} 1000\)

Szukamy liczby \(x\), dla której \(0,1^x = 1000\).

Zauważmy, że \(0,1 = 10^{-1}\), więc \((10^{-1})^x = 1000\).

Przekształcając: \(10^{-x} = 1000 = 10^3\)

Stąd \(-x = 3\), czyli \(x = -3\)

Zatem \(\log_{0,1} 1000 = -3\)

Zadanie 2: Zastosowanie własności logarytmów

Oblicz, nie korzystając z kalkulatora:

a) \(\log_2 4 + \log_2 8 – \log_2 16\)

b) \(\log_3 27 \cdot \log_9 3\)

c) \(\log_4 8 + \log_8 4\)

Rozwiązanie:

a) \(\log_2 4 + \log_2 8 – \log_2 16\)

Wykorzystujemy własności logarytmów:

\(\log_2 4 = \log_2 2^2 = 2\)

\(\log_2 8 = \log_2 2^3 = 3\)

\(\log_2 16 = \log_2 2^4 = 4\)

Podstawiając: \(2 + 3 – 4 = 1\)

Alternatywnie, możemy wykorzystać własność \(\log_a(x \cdot y) = \log_a x + \log_a y\):

\(\log_2 4 + \log_2 8 – \log_2 16 = \log_2 (4 \cdot 8) – \log_2 16 = \log_2 32 – \log_2 16 = \log_2 \frac{32}{16} = \log_2 2 = 1\)

b) \(\log_3 27 \cdot \log_9 3\)

Obliczamy poszczególne logarytmy:

\(\log_3 27 = \log_3 3^3 = 3\)

Dla \(\log_9 3\) zastosujemy wzór na zmianę podstawy logarytmu:

\(\log_9 3 = \frac{\log_3 3}{\log_3 9} = \frac{1}{\log_3 9} = \frac{1}{\log_3 3^2} = \frac{1}{2}\)

Zatem: \(\log_3 27 \cdot \log_9 3 = 3 \cdot \frac{1}{2} = \frac{3}{2}\)

c) \(\log_4 8 + \log_8 4\)

Dla \(\log_4 8\) obliczamy:

\(\log_4 8 = \log_4 2^3 = \frac{\log_2 2^3}{\log_2 4} = \frac{3}{\log_2 2^2} = \frac{3}{2}\)

Dla \(\log_8 4\):

\(\log_8 4 = \log_8 2^2 = \frac{\log_2 2^2}{\log_2 8} = \frac{2}{\log_2 2^3} = \frac{2}{3}\)

Zatem: \(\log_4 8 + \log_8 4 = \frac{3}{2} + \frac{2}{3} = \frac{9+4}{6} = \frac{13}{6}\)

Zadanie 3: Równania logarytmiczne

Rozwiąż następujące równania:

a) \(\log_2(x+3) = 3\)

b) \(\log_3(x+1) + \log_3(x-1) = 1\)

c) \(\log_4(x^2-9) = 2\)

d) \(2^{\log_2 x} = 8\)

Rozwiązanie:

a) \(\log_2(x+3) = 3\)

Korzystamy z definicji logarytmu: \(\log_a b = c \Leftrightarrow a^c = b\)

\(\log_2(x+3) = 3 \Leftrightarrow 2^3 = x+3 \Leftrightarrow 8 = x+3 \Leftrightarrow x = 5\)

Odpowiedź: \(x = 5\)

b) \(\log_3(x+1) + \log_3(x-1) = 1\)

Korzystamy z własności logarytmów: \(\log_a x + \log_a y = \log_a(x \cdot y)\)

\(\log_3(x+1) + \log_3(x-1) = \log_3((x+1)(x-1)) = 1\)

\(\log_3(x^2-1) = 1\)

Stosując definicję logarytmu:

\(3^1 = x^2-1 \Leftrightarrow 3 = x^2-1 \Leftrightarrow x^2 = 4 \Leftrightarrow x = \pm 2\)

Sprawdzamy, czy rozwiązania spełniają warunki dziedziny:

Dla \(x = 2\): \(x+1 = 3 > 0\) i \(x-1 = 1 > 0\) – warunki spełnione

Dla \(x = -2\): \(x+1 = -1 < 0\) - warunek nie jest spełniony

Odpowiedź: \(x = 2\)

c) \(\log_4(x^2-9) = 2\)

Stosując definicję logarytmu:

\(\log_4(x^2-9) = 2 \Leftrightarrow 4^2 = x^2-9 \Leftrightarrow 16 = x^2-9 \Leftrightarrow x^2 = 25 \Leftrightarrow x = \pm 5\)

Sprawdzamy dziedzinę: \(x^2-9 > 0\), co jest spełnione dla obu wartości \(x = \pm 5\).

Odpowiedź: \(x = -5\) lub \(x = 5\)

d) \(2^{\log_2 x} = 8\)

Zauważmy, że \(2^{\log_2 x} = x\) (jest to ważna własność logarytmów).

Zatem nasze równanie to: \(x = 8\)

Odpowiedź: \(x = 8\)

Zadanie 4: Nierówności logarytmiczne

Rozwiąż następujące nierówności:

a) \(\log_3(x-1) > 1\)

b) \(\log_2(x+4) < \log_2(2x-1)\)

c) \(\log_{\frac{1}{2}}(x^2-4) \leq 3\)

Rozwiązanie:

a) \(\log_3(x-1) > 1\)

Stosując definicję logarytmu:

\(\log_3(x-1) > 1 \Leftrightarrow x-1 > 3^1 \Leftrightarrow x-1 > 3 \Leftrightarrow x > 4\)

Dodatkowo musimy uwzględnić dziedzinę logarytmu: \(x-1 > 0 \Leftrightarrow x > 1\)

Łącząc oba warunki: \(x > 4\)

Odpowiedź: \(x \in (4, +\infty)\)

b) \(\log_2(x+4) < \log_2(2x-1)\)

Ponieważ funkcja logarytmiczna jest rosnąca (dla podstawy większej od 1), możemy zapisać:

\(\log_2(x+4) < \log_2(2x-1) \Leftrightarrow x+4 < 2x-1 \Leftrightarrow 5 < x\)

Musimy również uwzględnić dziedzinę obu logarytmów:

\(x+4 > 0 \Leftrightarrow x > -4\)

\(2x-1 > 0 \Leftrightarrow x > \frac{1}{2}\)

Łącząc wszystkie warunki: \(x > 5\)

Odpowiedź: \(x \in (5, +\infty)\)

c) \(\log_{\frac{1}{2}}(x^2-4) \leq 3\)

Uwaga: podstawa logarytmu \(\frac{1}{2}\) jest mniejsza od 1, więc funkcja logarytmiczna jest malejąca!

Stosując definicję logarytmu:

\(\log_{\frac{1}{2}}(x^2-4) \leq 3 \Leftrightarrow x^2-4 \geq \left(\frac{1}{2}\right)^3 \Leftrightarrow x^2-4 \geq \frac{1}{8} \Leftrightarrow x^2 \geq \frac{33}{8} \Leftrightarrow x \leq -\sqrt{\frac{33}{8}} \text{ lub } x \geq \sqrt{\frac{33}{8}}\)

Dodatkowo musimy uwzględnić dziedzinę logarytmu: \(x^2-4 > 0 \Leftrightarrow x < -2 \text{ lub } x > 2\)

Łącząc warunki:

\(x \in (-\infty, -2) \cup (2, +\infty)\)

Zadanie 5: Logarytmy w funkcjach wykładniczych

Rozwiąż równania:

a) \(3^{2x-1} = 27\)

b) \(2^{x^2-5x+6} = 4\)

c) \(5^{x+1} \cdot 25^{x-2} = 625\)

Rozwiązanie:

a) \(3^{2x-1} = 27\)

Wiemy, że \(27 = 3^3\), więc:

\(3^{2x-1} = 3^3 \Leftrightarrow 2x-1 = 3 \Leftrightarrow 2x = 4 \Leftrightarrow x = 2\)

Odpowiedź: \(x = 2\)

b) \(2^{x^2-5x+6} = 4\)

Wiemy, że \(4 = 2^2\), więc:

\(2^{x^2-5x+6} = 2^2 \Leftrightarrow x^2-5x+6 = 2\)

\(x^2-5x+4 = 0\)

Rozwiązujemy równanie kwadratowe:

\(\Delta = 25-16 = 9\)

\(x_{1,2} = \frac{5 \pm 3}{2} \Rightarrow x_1 = 4, x_2 = 1\)

Odpowiedź: \(x = 1\) lub \(x = 4\)

c) \(5^{x+1} \cdot 25^{x-2} = 625\)

Przekształcamy: \(25 = 5^2\) i \(625 = 5^4\)

\(5^{x+1} \cdot (5^2)^{x-2} = 5^4\)

\(5^{x+1} \cdot 5^{2(x-2)} = 5^4\)

\(5^{x+1} \cdot 5^{2x-4} = 5^4\)

\(5^{x+1+2x-4} = 5^4\)

\(5^{3x-3} = 5^4\)

\(3x-3 = 4 \Leftrightarrow 3x = 7 \Leftrightarrow x = \frac{7}{3}\)

Odpowiedź: \(x = \frac{7}{3}\)

Zadanie 6: Zastosowania logarytmów

a) Kapitał w wysokości 5000 zł został zdeponowany na lokacie o stałym oprocentowaniu 4% w skali roku. Po ilu latach kapitał wzrośnie do 8000 zł?

b) Pewna kultura bakterii podwaja się co 3 godziny. Ile czasu potrzeba, aby z początkowej liczby 100 bakterii otrzymać 10000 bakterii?

Rozwiązanie:

a) Kapitał po \(n\) latach przy oprocentowaniu \(4\%\) wynosi: \(K_n = K_0 \cdot (1 + 0,04)^n\)

Podstawiamy dane: \(8000 = 5000 \cdot (1,04)^n\)

\(\frac{8000}{5000} = (1,04)^n \Leftrightarrow 1,6 = (1,04)^n\)

Logarytmujemy obie strony (stosujemy logarytm naturalny, ale można użyć dowolnego):

\(\ln(1,6) = \ln((1,04)^n) \Leftrightarrow \ln(1,6) = n \cdot \ln(1,04)\)

\(n = \frac{\ln(1,6)}{\ln(1,04)} \approx \frac{0,4700}{0,0392} \approx 12,0\)

Odpowiedź: Kapitał wzrośnie do 8000 zł po około 12 latach.

b) Liczba bakterii po \(t\) godzinach wynosi: \(N(t) = N_0 \cdot 2^{t/3}\), gdzie \(N_0\) to początkowa liczba bakterii.

Podstawiamy dane: \(10000 = 100 \cdot 2^{t/3}\)

\(\frac{10000}{100} = 2^{t/3} \Leftrightarrow 100 = 2^{t/3}\)

Logarytmujemy obie strony przy podstawie 2:

\(\log_2(100) = \log_2(2^{t/3}) \Leftrightarrow \log_2(100) = \frac{t}{3}\)

\(t = 3 \cdot \log_2(100) \approx 3 \cdot 6,64 \approx 19,92\)

Odpowiedź: Potrzeba około 20 godzin, aby z 100 bakterii otrzymać 10000 bakterii.

Zadanie 7: Logarytmy o różnych podstawach

Oblicz:

a) \(\log_6 12\)

b) \(\log_{0,5} 8\)

c) \(\log_2 5 \cdot \log_5 2\)

Rozwiązanie:

a) \(\log_6 12\)

Stosujemy wzór na zmianę podstawy logarytmu: \(\log_a b = \frac{\log_c b}{\log_c a}\)

\(\log_6 12 = \frac{\log_{10} 12}{\log_{10} 6} \approx \frac{1,0792}{0,7782} \approx 1,3869\)

Możemy też wykorzystać logarytmy naturalne:

\(\log_6 12 = \frac{\ln 12}{\ln 6} \approx \frac{2,4849}{1,7918} \approx 1,3869\)

b) \(\log_{0,5} 8\)

Stosujemy wzór na zmianę podstawy logarytmu:

\(\log_{0,5} 8 = \frac{\ln 8}{\ln 0,5} \approx \frac{2,0794}{-0,6931} \approx -3\)

Możemy też rozwiązać bezpośrednio:

\(\log_{0,5} 8 = x \Leftrightarrow (0,5)^x = 8 \Leftrightarrow (2^{-1})^x = 2^3 \Leftrightarrow 2^{-x} = 2^3 \Leftrightarrow -x = 3 \Leftrightarrow x = -3\)

c) \(\log_2 5 \cdot \log_5 2\)

Zauważmy, że jeśli \(\log_a b = x\), to \(\log_b a = \frac{1}{x}\)

Zatem \(\log_2 5 \cdot \log_5 2 = \log_2 5 \cdot \frac{1}{\log_2 5} = 1\)

Odpowiedź: \(\log_2 5 \cdot \log_5 2 = 1\)