Giải Bài Tập Bài 21: Phương trình, bất phương trình mũ và lôgarit - Toán 11 KNTT

BÀI 21: PHƯƠNG TRÌNH, BẤT PHƯƠNG TRÌNH MŨ VÀ LÔGARIT
(SGK TOÁN 11 - KẾT NỐI TRI THỨC VỚI CUỘC SỐNG)

Bài 6.20. Giải các phương trình sau:
a) \(3^{x-1} = 27\);
b) \(100^{2x^2-3} = 0,1^{2x^2-18}\);
c) \(\sqrt{3} e^{3x} = 1\);
d) \(5^x = 3^{2x-1}\).
Lời giải:

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

\[3^{x-1} = 3^3 \Leftrightarrow x - 1 = 3 \Leftrightarrow x = 4\]

Vậy tập nghiệm của phương trình là \(S = \{4\}\).

b) \(100^{2x^2-3} = 0,1^{2x^2-18}\):

Đưa về cơ số 10:

\[(10^2)^{2x^2-3} = (10^{-1})^{2x^2-18} \Leftrightarrow 10^{4x^2-6} = 10^{-2x^2+18}\] \[\Leftrightarrow 4x^2 - 6 = -2x^2 + 18 \Leftrightarrow 6x^2 = 24 \Leftrightarrow x^2 = 4 \Leftrightarrow x = \pm 2\]

Vậy tập nghiệm của phương trình là \(S = \{-2; 2\}\).

c) \(\sqrt{3} e^{3x} = 1\):

\[e^{3x} = \frac{1}{\sqrt{3}} = 3^{-\frac{1}{2}}\]

Lấy lôgarit tự nhiên hai vế:

\[3x = \ln\left(3^{-\frac{1}{2}}\right) = -\frac{1}{2}\ln 3 \Leftrightarrow x = -\frac{\ln 3}{6}\]

Vậy tập nghiệm của phương trình là \(S = \left\{-\frac{\ln 3}{6}\right\}\).

d) \(5^x = 3^{2x-1}\):

Lấy lôgarit cơ số 5 hai vế:

\[\log_5(5^x) = \log_5(3^{2x-1}) \Leftrightarrow x = (2x - 1)\log_5 3\] \[\Leftrightarrow x = 2x\log_5 3 - \log_5 3 \Leftrightarrow x(1 - 2\log_5 3) = -\log_5 3\] \[\Leftrightarrow x = \frac{\log_5 3}{2\log_5 3 - 1}\]

Vậy tập nghiệm của phương trình là \(S = \left\{\frac{\log_5 3}{2\log_5 3 - 1}\right\}\).

Bài 6.21. Giải các phương trình sau:
a) \(\log(x + 1) = 2\);
b) \(2\log_4 x + \log_2(x - 3) = 2\);
c) \(\ln x + \ln(x - 1) = \ln 4x\);
d) \(\log_3(x^2 - 3x + 2) = \log_3(2x - 4)\).
Lời giải:

a) \(\log(x + 1) = 2\):

Điều kiện: \(x + 1 > 0 \Leftrightarrow x > -1\).

\[\log(x + 1) = 2 \Leftrightarrow x + 1 = 10^2 = 100 \Leftrightarrow x = 99 \text{ (thỏa mãn)}\]

Vậy nghiệm của phương trình là \(x = 99\).

b) \(2\log_4 x + \log_2(x - 3) = 2\):

Điều kiện: \(\begin{cases} x > 0 \\ x - 3 > 0 \end{cases} \Leftrightarrow x > 3\).

Ta có: \(2\log_4 x = 2\log_{2^2} x = 2 \cdot \frac{1}{2}\log_2 x = \log_2 x\).

Phương trình trở thành:

\[\log_2 x + \log_2(x - 3) = 2 \Leftrightarrow \log_2[x(x - 3)] = 2\] \[\Leftrightarrow x(x - 3) = 2^2 = 4 \Leftrightarrow x^2 - 3x - 4 = 0\] \[\Leftrightarrow \begin{bmatrix} x = -1 \text{ (loại)} \\ x = 4 \text{ (thỏa mãn)} \end{bmatrix}\]

Vậy nghiệm của phương trình là \(x = 4\).

c) \(\ln x + \ln(x - 1) = \ln 4x\):

Điều kiện: \(\begin{cases} x > 0 \\ x - 1 > 0 \end{cases} \Leftrightarrow x > 1\).

Phương trình biến đổi:

\[\ln[x(x - 1)] = \ln 4x \Leftrightarrow x(x - 1) = 4x\] \[\Leftrightarrow x^2 - 5x = 0 \Leftrightarrow \begin{bmatrix} x = 0 \text{ (loại)} \\ x = 5 \text{ (thỏa mãn)} \end{bmatrix}\]

Vậy nghiệm của phương trình là \(x = 5\).

d) \(\log_3(x^2 - 3x + 2) = \log_3(2x - 4)\):

Điều kiện: \(2x - 4 > 0 \Leftrightarrow x > 2\).

Phương trình tương đương:

\[x^2 - 3x + 2 = 2x - 4 \Leftrightarrow x^2 - 5x + 6 = 0 \Leftrightarrow \begin{bmatrix} x = 2 \text{ (loại)} \\ x = 3 \text{ (thỏa mãn)} \end{bmatrix}\]

Vậy nghiệm của phương trình là \(x = 3\).

Bài 6.22. Giải các bất phương trình sau:
a) \(0,1^{2-x} > 0,1^{4+2x}\);
b) \(2 \cdot 5^{2x+1} \le 3\);
c) \(\log_3(x + 7) \ge -1\);
d) \(\log_{0,5}(x + 7) \ge \log_{0,5}(2x - 1)\).
Lời giải:

a) \(0,1^{2-x} > 0,1^{4+2x}\):

Vì cơ số \(0 < 0,1 < 1\), đổi chiều bất phương trình:

\[2 - x < 4 + 2x \Leftrightarrow -3x < 2 \Leftrightarrow x > -\frac{2}{3}\]

Vậy tập nghiệm là \(S = \left(-\frac{2}{3}; +\infty\right)\).

b) \(2 \cdot 5^{2x+1} \le 3\):

\[5^{2x+1} \le \frac{3}{2}\]

Vì cơ số \(5 > 1\), lấy lôgarit cơ số 5 hai vế:

\[2x + 1 \le \log_5\left(\frac{3}{2}\right) \Leftrightarrow 2x \le \log_5\left(\frac{3}{2}\right) - 1 \Leftrightarrow x \le \frac{1}{2}\log_5\left(\frac{3}{2}\right) - \frac{1}{2}\]

Vậy tập nghiệm là \(S = \left(-\infty; \frac{1}{2}\log_5\left(\frac{3}{2}\right) - \frac{1}{2}\right]\).

c) \(\log_3(x + 7) \ge -1\):

Điều kiện: \(x + 7 > 0 \Leftrightarrow x > -7\).

Vì cơ số \(3 > 1\):

\[x + 7 \ge 3^{-1} = \frac{1}{3} \Leftrightarrow x \ge \frac{1}{3} - 7 = -\frac{20}{3}\]

Kết hợp điều kiện \(x > -7\), ta thu được \(x \ge -\frac{20}{3}\).

Vậy tập nghiệm là \(S = \left[-\frac{20}{3}; +\infty\right)\).

d) \(\log_{0,5}(x + 7) \ge \log_{0,5}(2x - 1)\):

Điều kiện: \(\begin{cases} x + 7 > 0 \\ 2x - 1 > 0 \end{cases} \Leftrightarrow x > \frac{1}{2}\).

Vì cơ số \(0 < 0,5 < 1\), đổi chiều bất phương trình:

\[x + 7 \le 2x - 1 \Leftrightarrow x \ge 8\]

Kết hợp điều kiện \(x > \frac{1}{2}\), ta có \(x \ge 8\).

Vậy tập nghiệm là \(S = [8; +\infty)\).

Bài 6.23. Bác Minh gửi tiết kiệm 500 triệu đồng ở một ngân hàng với lãi suất không đổi 7,5% một năm theo thể thức lãi kép kỳ hạn 12 tháng. Tổng số tiền bác Minh thu được (cả vốn lẫn lãi) sau \(n\) năm là: \[A = 500 \cdot (1 + 0,075)^n\text{ (triệu đồng)}\] Tính thời gian tối thiểu gửi tiết kiệm để bác Minh thu được ít nhất 800 triệu đồng (cả vốn lẫn lãi).
Lời giải:

Để bác Minh thu được ít nhất 800 triệu đồng, ta có bất phương trình:

\[500 \cdot (1,075)^n \ge 800 \Leftrightarrow 1,075^n \ge \frac{800}{500} = 1,6\]

Lấy lôgarit cơ số 1,075 hai vế (do \(1,075 > 1\)):

\[n \ge \log_{1,075}(1,6) \approx 6,48\]

Vì \(n\) là số nguyên năm (do kỳ hạn là 12 tháng), nên bác Minh cần gửi tối thiểu 7 năm.

Bài 6.24. Số lượng vi khuẩn ban đầu trong một mẻ nuôi cấy là 500 con. Người ta lấy một mẫu vi khuẩn trong mẻ nuôi cấy đó, đếm số lượng vi khuẩn và thấy rằng tỉ lệ tăng trưởng vi khuẩn là 40% mỗi giờ. Khi đó số lượng vi khuẩn \(N(t)\) sau \(t\) giờ nuôi cấy được ước tính bằng công thức sau: \[N(t) = 500 e^{0,4t}\] Hỏi sau bao nhiêu giờ nuôi cấy, số lượng vi khuẩn vượt mức 80 000 con?
Lời giải:

Số lượng vi khuẩn vượt mức 80 000 con khi:

\[500 e^{0,4t} > 80\,000 \Leftrightarrow e^{0,4t} > \frac{80\,000}{500} = 160\]

Lấy lôgarit tự nhiên hai vế:

\[0,4t > \ln(160) \Leftrightarrow t > \frac{\ln(160)}{0,4} \approx 12,69\text{ (giờ)}\]

Vậy sau khoảng 12,7 giờ (hoặc hơn 12,69 giờ) nuôi cấy thì số lượng vi khuẩn sẽ vượt mức 80 000 con.

Bài 6.25. Giả sử nhiệt độ \(T\) (\(^\circ\text{C}\)) của một vật giảm dần theo thời gian cho bởi công thức: \[T = 25 + 70 e^{-0,5t}\] trong đó thời gian \(t\) được tính bằng phút.
a) Tìm nhiệt độ ban đầu của vật.
b) Sau bao lâu nhiệt độ của vật còn lại \(30^\circ\text{C}\)?
Lời giải:

a) Nhiệt độ ban đầu của vật (khi \(t = 0\)):

\[T(0) = 25 + 70 e^{-0,5 \times 0} = 25 + 70 \times 1 = 95^\circ\text{C}\]

Nhiệt độ ban đầu của vật là \(95^\circ\text{C}\).

b) Thời gian để nhiệt độ của vật còn lại \(30^\circ\text{C}\):

Thay \(T = 30\) vào công thức:

\[25 + 70 e^{-0,5t} = 30 \Leftrightarrow 70 e^{-0,5t} = 5 \Leftrightarrow e^{-0,5t} = \frac{5}{70} = \frac{1}{14}\] \[\Leftrightarrow -0,5t = \ln\left(\frac{1}{14}\right) = -\ln 14 \Leftrightarrow t = \frac{\ln 14}{0,5} = 2\ln 14 \approx 5,28\text{ (phút)}\]

Vậy sau khoảng 5,28 phút (khoảng 5 phút 17 giây) thì nhiệt độ của vật còn lại \(30^\circ\text{C}\).

Bài 6.26. Tính nồng độ ion hydrogen (tính bằng mol/lít) của một dung dịch có độ pH là 8.
Lời giải:

Công thức tính độ pH theo nồng độ ion hydrogen \([\text{H}^+]\) là:

\[\text{pH} = -\log[\text{H}^+]\]

Theo đề bài \(\text{pH} = 8\), ta có:

\[-\log[\text{H}^+] = 8 \Leftrightarrow \log[\text{H}^+] = -8 \Leftrightarrow [\text{H}^+] = 10^{-8}\text{ (mol/lít)}\]

Vậy nồng độ ion hydrogen của dung dịch đó là \(10^{-8}\text{ mol/lít}\).