Bài học Toán THPT - Lôgarit

📘 BÀI HỌC TOÁN 11: LÔGARIT

Chương VI: Hàm số mũ và hàm số logarit (Kết nối tri thức với cuộc sống)

1. Khái niệm Lôgarit

📌 Định nghĩa:

Cho hai số dương \(a, b\) với \(a \neq 1\). Số thực \(\alpha\) thỏa mãn đẳng thức \(a^\alpha = b\) được gọi là lôgarit cơ số \(a\) của \(b\), ký hiệu là \(\log_a b\).

\[\alpha = \log_a b \iff a^\alpha = b\]
⚠️ Điều kiện tồn tại của lôgarit \(\log_a b\):
  • Cơ số \(a > 0\) và \(a \neq 1\).
  • Số dưới dấu lôgarit \(b > 0\).
Lưu ý: Không có lôgarit của số âm và số 0!
📌 Các đẳng thức cơ bản:

Với \(a > 0, a \neq 1\) và \(b > 0\):

  • \(\log_a 1 = 0\)
  • \(\log_a a = 1\)
  • \(\log_a (a^\alpha) = \alpha\)
  • \(a^{\log_a b} = b\)

2. Các tính chất của Lôgarit

📌 1. Lôgarit của một tích và một thương:

Cho các số dương \(a, b_1, b_2\) với \(a \neq 1\):

  • Lôgarit của một tích: \[\log_a (b_1 \cdot b_2) = \log_a b_1 + \log_a b_2\]
  • Lôgarit của một thương: \[\log_a \left(\displaystyle\frac{b_1}{b_2}\right) = \log_a b_1 - \log_a b_2\]
📌 2. Lôgarit của một lũy thừa:

Cho \(a, b > 0, a \neq 1\) và số thực \(\alpha\):

\[\log_a (b^\alpha) = \alpha \log_a b\]

Đặc biệt vớI căn thức: \(\log_a \sqrt[n]{b} = \displaystyle\frac{1}{n} \log_a b\)

3. Công thức đổi cơ số

📌 Công thức đổi cơ số tổng quát:

Cho các số dương \(a, b, c\) với \(a \neq 1, c \neq 1\):

\[\log_a b = \displaystyle\frac{\log_c b}{\log_c a}\]
📌 Các hệ quả hay dùng:
  • \(\log_a b = \displaystyle\frac{1}{\log_b a} \quad (b \neq 1)\)
  • \(\log_{a^\beta} b = \displaystyle\frac{1}{\beta} \log_a b \quad (\beta \neq 0)\)
  • \(\log_{a^\beta} (b^\alpha) = \displaystyle\frac{\alpha}{\beta} \log_a b\)

4. Lôgarit thập phân và Lôgarit tự nhiên

📌 1. Lôgarit thập phân:
  • Là lôgarit cơ số \(10\).
  • Ký hiệu: \(\log_{10} b\) thường viết tắt là \(\log b\) hoặc \(\lg b\).
📌 2. Lôgarit tự nhiên (Lôgarit Nê-pe):
  • Là lôgarit cơ số \(e\) (trong đó \(e \approx 2,718281828...\)).
  • Ký hiệu: \(\log_e b\) được viết tắt là \(\ln b\).
💡 Ứng dụng thực tế: Lôgarit thập phân và lôgarit tự nhiên được ứng dụng rất rộng rãi trong đo độ pH của dung dịch, đo cường độ âm thanh (Decibel), đo độ chấn động động đất (độ Richter), tính lãi kép ngân hàng...

5. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1 Tính giá trị của biểu thức lôgarit

Tính giá trị của biểu thức \(A = \log_2 16 + \log_3 \displaystyle\frac{1}{27} - \ln(e^4)\).

Lời giải:

Biến đổi các số về dạng lũy thừa của cơ số:

• \(\log_2 16 = \log_2 (2^4) = 4\)

• \(\log_3 \displaystyle\frac{1}{27} = \log_3 (3^{-3}) = -3\)

• \(\ln(e^4) = 4\)

Thay vào biểu thức \(A\):

\[A = 4 + (-3) - 4 = -3\]
Ví dụ 2 Rút gọn biểu thức lôgarit

Rút gọn biểu thức \(B = \log_a (a^2 \cdot \sqrt{b}) - \log_{\sqrt{a}} b\) (với \(a, b > 0, a \neq 1\)).

Lời giải:

Sử dụng các quy tắc biến đổi lôgarit:

\[\log_a (a^2 \cdot \sqrt{b}) = \log_a (a^2) + \log_a (b^{\displaystyle\frac{1}{2}}) = 2 + \displaystyle\frac{1}{2}\log_a b\] \[\log_{\sqrt{a}} b = \log_{a^{\displaystyle\frac{1}{2}}} b = \displaystyle\frac{1}{\displaystyle\frac{1}{2}}\log_a b = 2\log_a b\]

Thay vào biểu thức \(B\):

\[B = \left(2 + \displaystyle\frac{1}{2}\log_a b\right) - 2\log_a b = 2 - \displaystyle\frac{3}{2}\log_a b\]
Ví dụ 3 Biểu diễn lôgarit theo các ẩn cho trước

Cho \(\log_2 3 = a\) và \(\log_2 5 = b\). Biểu diễn \(\log_6 45\) theo \(a\) và \(b\).

Lời giải:

Đổi cơ số về cơ số 2:

\[\log_6 45 = \displaystyle\frac{\log_2 45}{\log_2 6}\]

Phân tích các số 45 và 6 ra thừa số nguyên tố:

• \(\log_2 45 = \log_2 (3^2 \cdot 5) = \log_2 (3^2) + \log_2 5 = 2\log_2 3 + \log_2 5 = 2a + b\)

• \(\log_2 6 = \log_2 (2 \cdot 3) = \log_2 2 + \log_2 3 = 1 + a\)

Vậy:

\[\log_6 45 = \displaystyle\frac{2a + b}{1 + a}\]

6. Luyện tập tự giải

Bài 1: Tính giá trị của các biểu thức sau:
a) \(P = \log_5 125 - \log_2 0.25\)
b) \(Q = 4^{\log_2 3} + 9^{\log_3 2}\)
Bài 2: Rút gọn biểu thức \(M = 2\log_a x + 3\log_a y - \log_a (x^2 y)\) với \(a, x, y > 0, a \neq 1\).
Bài 3: Cho \(\log 2 = a\) và \(\log 3 = b\). Biểu diễn \(\log_{12} 18\) theo \(a\) và \(b\).

7. Ghi nhớ & Mẹo giải bài tập Lôgarit

🎯 Mẹo phân biệt vị trí của số mũ khi đưa ra ngoài lôgarit:
  • Số mũ ở **TỪNG SỐ BÊN TRÊN** (số dưới dấu lôgarit) $\rightarrow$ Đưa ra ngoài nằm ở **TỬ SỐ**: \[\log_a (b^\alpha) = \alpha \cdot \log_a b\]
  • Số mũ ở **BÊN DƯỚI** (cơ số) $\rightarrow$ Đưa ra ngoài nằm ở **MẪU SỐ**: \[\log_{a^\beta} b = \displaystyle\frac{1}{\beta} \cdot \log_a b\]
💡 Sai lầm phổ biến cần tránh tuyệt đối:
  • ❌ Sai lầm biến tổng thành tích: \(\log_a (x + y) \neq \log_a x + \log_a y\) (Đúng phải là \(\log_a (x \cdot y) = \log_a x + \log_a y\)).
  • ❌ Sai lầm thương lôgarit: \(\displaystyle\frac{\log_a x}{\log_a y} \neq \log_a (x - y)\) (Đây là công thức đổi cơ số \(\displaystyle\frac{\log_a x}{\log_a y} = \log_y x\)).
  • ❌ Quên điều kiện xác định: Luôn nhớ cơ số \(a > 0, a \neq 1\) và biểu thức trong lôgarit phải **nghiêm ngặt dương** \((> 0)\).