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课程库 › Calculus 2 › S0 · 基础知识回顾 › 第 1 课

对数运算法则 —— 一次性擦亮这把旧兵器

普通课约 45 分钟

本课导读

这是基础知识回顾章节的第一课。对数(log)你早就学过,但它在微积分里出场率极高——∫dxx=ln⁡∣x∣+C\displaystyle\int \frac{dx}{x} = \ln|x| + C、对数求导法、把 axa^x 改写成 exln⁡ae^{x\ln a}……手一生,后面每一步都磕绊。本课做两件事:把全部运算法则一次性摆上桌(只列不推导,配翻车点),然后用四组共 32 道习题把手感磨回来。预计 45 分钟,熟练的组可以快进。

说明

本课是纯复健课:假设你学过对数,只负责激活,不负责从零讲"什么是对数"。做题卡住了就回法则表对号入座。

一、定义与两对互逆关系

一切法则的根:对数就是指数的反问法。

log⁡ax=y⟺ay=x(a>0, a≠1, x>0)\log_a x = y \quad\Longleftrightarrow\quad a^y = x \qquad (a > 0,\ a \neq 1,\ x > 0)

读法:"aa 的多少次方等于 xx?答案记作 log⁡ax\log_a x。"比如 log⁡28=3\log_2 8 = 3,因为 23=82^3 = 8。

三个记号约定:

记号含义微积分里的地位
ln⁡x\ln xlog⁡ex\log_e x(自然对数,底为 e≈2.718e \approx 2.718)绝对主角,求导积分公式全用它
log⁡x\log x国内教材多指 log⁡10x\log_{10} x(常用对数)偶尔出现,计算器时代的遗产
log⁡ax\log_a x任意底一律用换底公式转成 ln⁡\ln 处理

两对互逆关系(对数和指数互相"抵消",微积分变形的核心武器):

alog⁡ax=xlog⁡a(ax)=xa^{\log_a x} = x \qquad \log_a\left(a^x\right) = x

取 a=ea = e 就是最常用的版本:eln⁡x=xe^{\ln x} = x、ln⁡(ex)=x\ln(e^x) = x。

两个免费特值:log⁡a1=0\log_a 1 = 0(任何数的 0 次方是 1)、log⁡aa=1\log_a a = 1。

二、三大运算法则

设 M,N>0M, N > 0,kk 为任意实数:

#法则公式一句话记忆
①积化和log⁡a(MN)=log⁡aM+log⁡aN\log_a(MN) = \log_a M + \log_a N乘法降级成加法
②商化差log⁡aMN=log⁡aM−log⁡aN\log_a\dfrac{M}{N} = \log_a M - \log_a N除法降级成减法
③幂提前log⁡a(Mk)=klog⁡aM\log_a\left(M^k\right) = k\log_a M指数搬到前面当系数

三条其实是一条:对数把"乘除幂"各降一级变成"加减乘"——这正是当年发明对数的动机(把天文数字的乘法变成查表加法)。

注意

高频翻车点集中公示(微积分课上丢分的老朋友):

  1. log⁡a(M+N)≠log⁡aM+log⁡aN\log_a(M + N) \neq \log_a M + \log_a N——和的对数没有任何展开公式,长得再诱人也不能拆
  2. (ln⁡x)2≠ln⁡(x2)(\ln x)^2 \neq \ln\left(x^2\right)——前者是"对数的平方",后者是 2ln⁡x2\ln x;写题时括号位置就是生死线
  3. 法则 ③ 的指数在整个真数上才可提前:ln⁡(x3)=3ln⁡x\ln\left(x^3\right) = 3\ln x ✓,但 ln⁡(x3+1)\ln\left(x^3 + 1\right) 动不了
  4. 定义域:真数必须 >0> 0。解对数方程解出的根要代回原方程验根,负真数的根是幻觉
  5. ln⁡0\ln 0 不存在,ln⁡x\ln x 在 x→0+x \to 0^+ 时趋于 −∞-\infty——积分 ∫01dxx\int_0^1 \frac{dx}{x} 发散的根源

三、换底公式

log⁡ab=ln⁡bln⁡a=log⁡cblog⁡ca(c>0, c≠1)\log_a b = \frac{\ln b}{\ln a} = \frac{\log_c b}{\log_c a} \qquad (c > 0,\ c \neq 1)

微积分里它只有一个用途:把杂牌底换成 ee。例如 log⁡2x=ln⁡xln⁡2\log_2 x = \dfrac{\ln x}{\ln 2},其中 1ln⁡2\dfrac{1}{\ln 2} 只是个常数系数,求导时原封不动拎在外面。

顺手记一个推论(分子分母对调 = 倒数):

log⁡ab=1log⁡ba\log_a b = \frac{1}{\log_b a}

四、给微积分的两个预备变形

后面 S4 积分、S5 微分方程会反复用到,现在先亮相:

变形 1 · 万能改写 —— 任何指数式都能写成 ee 的形式:

ax=exln⁡a例:5x=exln⁡5,xx=exln⁡xa^x = e^{x\ln a} \qquad\text{例:} 5^x = e^{x\ln 5},\quad x^x = e^{x\ln x}

原理就是互逆关系:a=eln⁡aa = e^{\ln a},再用幂的幂。求导 axa^x、处理 xxx^x 全靠它。

变形 2 · 先拆再算 —— 对复杂乘除幂结构,先用法则 ①②③ 拆成加减式再动手(对数求导法的第一步):

ln⁡x3x2+1(x+2)5=3ln⁡x+12ln⁡(x2+1)−5ln⁡(x+2)\ln\frac{x^3\sqrt{x^2+1}}{(x+2)^5} = 3\ln x + \tfrac{1}{2}\ln\left(x^2+1\right) - 5\ln(x+2)

一个"大怪物"变成三个"小兵",逐项求导不费力——这招在 S5 的例题里已经出现过。

✍️ 习题工坊

四组由浅入深。建议全部动笔——复健的关键不是"看懂",是"手熟"。每组做完再开答案对照。

第 A 组 · 求值热身(10 题)

只用定义和互逆关系,心算或一行搞定:

  1. log⁡232\log_2 32
  2. log⁡93\log_9 3
  3. log⁡100.001\log_{10} 0.001
  4. ln⁡e7\ln e^7
  5. ln⁡e\ln\sqrt{e}
  6. log⁡51\log_5 1
  7. 2log⁡292^{\log_2 9}
  8. e2ln⁡3e^{2\ln 3}
  9. log⁡48\log_4 8
  10. log⁡1/28\log_{1/2} 8
✅ 第 A 组参考答案
  1. 55(25=322^5 = 32)
  2. 12\tfrac{1}{2}(91/2=39^{1/2} = 3)
  3. −3-3(10−3=0.00110^{-3} = 0.001)
  4. 77(互逆关系直接消)
  5. 12\tfrac{1}{2}(e=e1/2\sqrt{e} = e^{1/2})
  6. 00(免费特值)
  7. 99(互逆关系另一半:alog⁡ax=xa^{\log_a x} = x)
  8. 99(先幂提前:e2ln⁡3=eln⁡32=32e^{2\ln 3} = e^{\ln 3^2} = 3^2——第 8 题和第 7 题是同一件事的两副面孔)
  9. 32\tfrac{3}{2}(43/2=(22)3/2=23=84^{3/2} = (2^2)^{3/2} = 2^3 = 8;或换底 ln⁡8ln⁡4=3ln⁡22ln⁡2\frac{\ln 8}{\ln 4} = \frac{3\ln 2}{2\ln 2})
  10. −3-3((1/2)−3=23=8(1/2)^{-3} = 2^3 = 8;底小于 1 时对数"反着走",别漏负号)

第 B 组 · 展开与合并(8 题)

法则 ①②③ 的正反向操练。默认所有字母取值使真数为正。

展开(拆成单项对数的加减式):

  1. ln⁡x2yz\ln\dfrac{x^2 y}{z}
  2. log⁡2(8x3)\log_2\left(8x^3\right)
  3. ln⁡xx+1\ln\sqrt{\dfrac{x}{x+1}}
  4. ln⁡(e2x5)\ln\left(e^2 x^5\right)

合并(收成单个对数):

  1. 2ln⁡x+3ln⁡y−ln⁡z2\ln x + 3\ln y - \ln z
  2. 12log⁡x−2log⁡y\tfrac{1}{2}\log x - 2\log y
  3. ln⁡2+ln⁡3−ln⁡6\ln 2 + \ln 3 - \ln 6
  4. 判断题:ln⁡(x+y)\ln(x + y) 能否用运算法则继续展开?
✅ 第 B 组参考答案
  1. 2ln⁡x+ln⁡y−ln⁡z2\ln x + \ln y - \ln z
  2. 3+3log⁡2x3 + 3\log_2 x(别忘了 log⁡28=3\log_2 8 = 3 这个常数项)
  3. 12[ln⁡x−ln⁡(x+1)]\tfrac{1}{2}\left[\ln x - \ln(x+1)\right](根号 = 12\tfrac{1}{2} 次幂,先提前再拆商;注意 ln⁡(x+1)\ln(x+1) 到此为止,不能再拆)
  4. 2+5ln⁡x2 + 5\ln x(ln⁡e2=2\ln e^2 = 2)
  5. ln⁡x2y3z\ln\dfrac{x^2 y^3}{z}
  6. log⁡xy2\log\dfrac{\sqrt{x}}{y^2}
  7. ln⁡2×36=ln⁡1=0\ln\dfrac{2 \times 3}{6} = \ln 1 = 0
  8. 不能。"和的对数"没有展开公式——这是翻车点第 1 条,本组埋它就是为了让你亲手拒绝一次

第 C 组 · 解方程(8 题)

指数方程用"两边取 ln⁡\ln",对数方程用"改写回指数式",解完验根。

  1. 2x=102^x = 10
  2. e2x=5e^{2x} = 5
  3. ln⁡x=−1\ln x = -1
  4. log⁡3(x−2)=2\log_3(x - 2) = 2
  5. log⁡2x+log⁡2(x−2)=3\log_2 x + \log_2(x - 2) = 3
  6. 5⋅3x=405 \cdot 3^x = 40
  7. (ln⁡x)2=4(\ln x)^2 = 4
  8. 2x+1=3x2^{x+1} = 3^x
✅ 第 C 组参考答案
  1. 两边取 ln⁡\ln:xln⁡2=ln⁡10x\ln 2 = \ln 10,x=ln⁡10ln⁡2≈3.32x = \dfrac{\ln 10}{\ln 2} \approx 3.32(也可直接写 x=log⁡210x = \log_2 10,换底公式说这是同一个数)
  2. 2x=ln⁡52x = \ln 5,x=ln⁡52x = \dfrac{\ln 5}{2}
  3. 改写回指数式:x=e−1=1ex = e^{-1} = \dfrac{1}{e}
  4. x−2=32=9x - 2 = 3^2 = 9,x=11x = 11(验根:真数 9>09 > 0 ✓)
  5. 合并:log⁡2[x(x−2)]=3\log_2\left[x(x-2)\right] = 3,即 x2−2x=8x^2 - 2x = 8,解得 x=4x = 4 或 x=−2x = -2。验根:x=−2x = -2 使原方程两个真数都为负,舍去。答案 x=4x = 4。——不验根就中招,这就是翻车点第 4 条
  6. 先孤立指数式:3x=83^x = 8,x=ln⁡8ln⁡3=3ln⁡2ln⁡3x = \dfrac{\ln 8}{\ln 3} = \dfrac{3\ln 2}{\ln 3}
  7. ln⁡x=2\ln x = 2 或 ln⁡x=−2\ln x = -2,故 x=e2x = e^2 或 x=e−2x = e^{-2}(两根都使真数为正,都保留)。注意 (ln⁡x)2(\ln x)^2 不是 2ln⁡x2\ln x——翻车点第 2 条现场执法
  8. 两边取 ln⁡\ln:(x+1)ln⁡2=xln⁡3(x+1)\ln 2 = x\ln 3,整理 x(ln⁡3−ln⁡2)=ln⁡2x(\ln 3 - \ln 2) = \ln 2,x=ln⁡2ln⁡(3/2)≈1.71x = \dfrac{\ln 2}{\ln(3/2)} \approx 1.71

第 D 组 · 微积分预热变形(6 题)

不求导不积分,只做 S4/S5 里天天出现的"赛前变形":

  1. 把 7x7^x 写成以 ee 为底的形式
  2. 把 xsin⁡xx^{\sin x}(x>0x > 0)写成以 ee 为底的形式
  3. 化简 e3ln⁡xe^{3\ln x}
  4. 把 log⁡5x\log_5 x 写成"常数 ×ln⁡x\times \ln x"的形式
  5. 展开 ln⁡x42x+1(x−3)2\ln\dfrac{x^4\sqrt{2x+1}}{(x-3)^2}(假设各因子为正)
  6. 化简 ln⁡ex1+ex\ln\dfrac{e^x}{1 + e^x}
✅ 第 D 组参考答案
  1. 7x=exln⁡77^x = e^{x\ln 7}
  2. xsin⁡x=esin⁡x ⋅ ln⁡xx^{\sin x} = e^{\sin x \,\cdot\, \ln x}(底和指数都有 xx 的怪物,只有这条路——对数求导法的开场白)
  3. e3ln⁡x=eln⁡x3=x3e^{3\ln x} = e^{\ln x^3} = x^3
  4. log⁡5x=1ln⁡5⋅ln⁡x\log_5 x = \dfrac{1}{\ln 5} \cdot \ln x(求导时 1ln⁡5\frac{1}{\ln 5} 作为常数直接拎出去)
  5. 4ln⁡x+12ln⁡(2x+1)−2ln⁡(x−3)4\ln x + \tfrac{1}{2}\ln(2x+1) - 2\ln(x-3)
  6. ln⁡ex−ln⁡(1+ex)=x−ln⁡(1+ex)\ln e^x - \ln\left(1 + e^x\right) = x - \ln\left(1 + e^x\right)(注意 ln⁡(1+ex)\ln(1 + e^x) 是"和的对数",不能再动)

📝 随堂测验

随堂测验0 / 6 题正确

1. 下列哪个等式是正确的?($M, N > 0$)

2. $e^{2\ln 3}$ 等于?

3. 求导 $\log_2 x$ 之前,最省事的预处理是?

4. 解方程 $\log_2 x + \log_2(x-2) = 3$ 得 $x = 4$ 和 $x = -2$,下一步应该?

5. $(\ln x)^2$ 与 $\ln(x^2)$ 的关系是?($x > 0$)

6. 处理 $x^x$($x > 0$)这类“底和指数都含 $x$”的式子,标准第一步是?

本课小结

  • 根基一句话:log⁡ax=y⇔ay=x\log_a x = y \Leftrightarrow a^y = x;互逆关系 eln⁡x=xe^{\ln x} = x、ln⁡(ex)=x\ln(e^x) = x 是变形主力
  • 三大法则:积化和、商化差、幂提前——对数把乘除幂各降一级
  • 换底公式在微积分里只干一件事:杂牌底 →ln⁡\to \ln,多出来的 1ln⁡a\frac{1}{\ln a} 是常数
  • 翻车点前三名:ln⁡(M+N)\ln(M+N) 不能拆、(ln⁡x)2≠ln⁡(x2)(\ln x)^2 \neq \ln(x^2)、解对数方程必须验根
  • 预备变形 ax=exln⁡aa^x = e^{x\ln a} 和"先拆再算",是 S4 积分与 S5 对数求导法的赛前热身

下一步回顾课会陆续补齐其他手生的旧兵器;也可以直接进入 S4 · Integral Calculus,卡住了再回来翻这张法则表。

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讨论

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