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对数函数

掌握对数函数的定义域、单调性与换底公式,通过精确数值表和三个例题,检查真数、底数及运算法则的适用条件。

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教程正文

对数函数

对数求的是指数。例如,log⁡28=3\log_2 8=3,是因为 23=82^3=8。利用这一关系,可以在对数式与指数式之间转换:

y=log⁡ax⟺ay=x.y=\log_a x \quad\Longleftrightarrow\quad a^y=x.

讨论实数范围内的对数时,底数必须满足 a>0a>0 且 a≠1a\ne1,真数必须大于 00。本文用 lg⁡x\lg x 表示 log⁡10x\log_{10}x,用 ln⁡x\ln x 表示 log⁡ex\log_e x。

1. 图像与基本性质

函数 y=log⁡axy=\log_a x 的定义域是 (0,+∞)(0,+\infty),值域是 R\mathbb{R}。因为 a0=1a^0=1、a1=aa^1=a,图像经过 (1,0)(1,0) 和 (a,1)(a,1)。直线 x=0x=0 是它的竖直渐近线,图像与 yy 轴没有交点。

单调性由底数决定:

  • 当 a>1a>1 时,函数单调递增。
  • 当 0<a<10<a<1 时,函数单调递减。

下面这组精确数值可以帮助理解两种情况。

xxlog⁡2x\log_2 xlog⁡1/2x\log_{1/2}x
12\frac12−1-111
110000
2211−1-1
4422−2-2

当 a>1a>1 时,x→0+x\to0^+ 对应 log⁡ax→−∞\log_a x\to-\infty,x→+∞x\to+\infty 对应 log⁡ax→+∞\log_a x\to+\infty。当 0<a<10<a<1 时,这两个极限的方向相反。

y=log⁡axy=\log_a x 与 y=axy=a^x 互为反函数,图像关于直线 y=xy=x 对称:一个图像上的点 (u,v)(u,v),对应另一个图像上的点 (v,u)(v,u)。

以上性质针对基本函数 y=log⁡axy=\log_a x。遇到复合表达式时,要检查整个真数。例如,log⁡a(x−2)\log_a(x-2) 的定义域是 x>2x>2,竖直渐近线是 x=2x=2,不能直接照搬 x>0x>0。

2. 对数运算法则

当 M>0M>0、N>0N>0、a>0a>0、a≠1a\ne1,且 rr 为实数时,

log⁡a(MN)=log⁡aM+log⁡aN,\log_a(MN)=\log_a M+\log_a N, log⁡a ⁣(MN)=log⁡aM−log⁡aN,\log_a\!\left(\frac{M}{N}\right)=\log_a M-\log_a N, log⁡a(Mr)=rlog⁡aM.\log_a(M^r)=r\log_a M.

使用法则时不能忽略真数条件。例如,log⁡a(x2)\log_a(x^2) 在 x≠0x\ne0 时就有意义,而 2log⁡ax2\log_a x 要求 x>0x>0。对所有非零实数 xx 都成立的写法是

log⁡a(x2)=2log⁡a∣x∣.\log_a(x^2)=2\log_a|x|.

对数没有把“和”拆成“对数之和”的通用法则。取 M=N=1M=N=1,则 log⁡a(M+N)=log⁡a2\log_a(M+N)=\log_a2,但 log⁡aM+log⁡aN=0\log_a M+\log_a N=0,两者不同。

3. 换底公式

需要统一底数时,可以使用

log⁡ax=log⁡bxlog⁡ba,a>0, a≠1, b>0, b≠1, x>0.\log_a x=\frac{\log_b x}{\log_b a}, \qquad a>0,\ a\ne1,\ b>0,\ b\ne1,\ x>0.

由此可以得到两个常用关系:

log⁡ab  log⁡bc=log⁡ac,\log_a b\;\log_b c=\log_a c,

其中 a,ba,b 都是合法底数,且 c>0c>0;以及

log⁡an(bm)=mnlog⁡ab,\log_{a^n}(b^m)=\frac{m}{n}\log_a b,

其中 a>0a>0、a≠1a\ne1、b>0b>0,m,nm,n 为实数,且 n≠0n\ne0。不能漏掉最后这个条件,否则 an=1a^n=1,就不能作为对数的底数。

4. 例题

例 1:比较同底对数的大小

分别比较 log⁡23\log_2 3 与 log⁡25\log_2 5,以及 log⁡0.53\log_{0.5}3 与 log⁡0.55\log_{0.5}5。

底数 2>12>1,函数 log⁡2x\log_2 x 单调递增,所以

log⁡23<log⁡25.\log_2 3<\log_2 5.

底数满足 0<0.5<10<0.5<1,函数 log⁡0.5x\log_{0.5}x 单调递减,所以

log⁡0.53>log⁡0.55.\log_{0.5}3>\log_{0.5}5.

同底比较时,应先判断增减性,再确定不等号方向。

例 2:利用换底公式化简

计算

(log⁡43+log⁡83)(log⁡32+log⁡92).(\log_4 3+\log_8 3)(\log_3 2+\log_9 2).

分别换成以 22 和 33 为底:

log⁡43+log⁡83=(12+13)log⁡23=56log⁡23,\log_4 3+\log_8 3 =\left(\frac12+\frac13\right)\log_2 3 =\frac56\log_2 3, log⁡32+log⁡92=(1+12)log⁡32=32log⁡32.\log_3 2+\log_9 2 =\left(1+\frac12\right)\log_3 2 =\frac32\log_3 2.

再利用 log⁡23  log⁡32=1\log_2 3\;\log_3 2=1,得到

56×32=54.\frac56\times\frac32=\boxed{\frac54}.

例 3:底数含未知数时求定义域

求 y=log⁡2x−1(3−x)y=\log_{2x-1}(3-x) 的定义域。

同时列出三个条件:

2x−1>0,2x−1≠1,3−x>0.2x-1>0,\qquad 2x-1\ne1,\qquad 3-x>0.

解得 x>12x>\frac12、x≠1x\ne1、x<3x<3。取交集,得到

(12,1)∪(1,3).\boxed{\left(\frac12,1\right)\cup(1,3)}.

如果只检查真数,就会漏掉底数大于 00、不等于 11 这两个要求。

5. 检查要点

定义域应以原表达式为准,不能因为化简而补回原本不允许的取值。解对数不等式时,如果固定底数在 00 与 11 之间,利用单调性比较真数会改变不等号方向。

参考资料

内容审校日期:2026 年 9 月 9 日。