Chương 2: HÀM SỐ LŨY THỪA. HÀM SỐ MŨ VÀ HÀM SỐ LÔGARIT

a) Điều kiện \(x-4>0\Leftrightarrow x>4\)

Đặt \(f\left(x\right)=lg\left(x-4\right),g\left(x\right)=5-x\)

Phương trình đã cho trở thành

\(f\left(x\right)=g\left(x\right)\)

Ta có \(f\left(x\right)\) đồng biến trên \(\left(4;+\infty\right)\) và \(g\left(x\right)\) nghịch biến trên R

Hơn nữa \(f\left(5\right)=g\left(5\right)\) do đó \(x=5\) là nghiệm duy nhất của phương trình

b) Dễ thấy \(x=\sqrt{2}\) là nghiệm của phương trình.

Nếu \(x>\sqrt{2}\) thì \(x^x>\left(\sqrt{2}\right)^x>\left(\sqrt{2}\right)^{\sqrt{2}}\)

Tương tự  \(x<\sqrt{2}\) . Vậy \(x=\sqrt{2}\) là nghiệm duy nhất

Đặt \(t=2^x\left(t>0\right)\) thì phương trình trở thành 

\(4t^2-2t.4-\left(t^4+2t^3\right)=0\)

Bây giờ coi 4=u là một ẩn của phương trình, còn t là số đã biết. Phương trình trở thành phương trình bậc 2 đối với ẩn u. Tính \(\Delta'\)

ta có :

\(\Delta'=\left(-t\right)^2+\left(t^4+2t^3\right)=\left(t^2+t\right)^2\)

Do đó :

\(\begin{cases}u=t-t\left(t+1\right)\\u=t+t\left(t+1\right)\end{cases}\) \(\Leftrightarrow\begin{cases}4=-t^2\\4=t^2+2t\end{cases}\) \(\Leftrightarrow t^2+2t-4=0\)

                             \(\Leftrightarrow\begin{cases}t=-1-\sqrt{5}\\t=-1+\sqrt{5}\end{cases}\)

Suy ra \(2^x=\sqrt{5}-1\Leftrightarrow x=\log_2\left(\sqrt{5}+1\right)\)

Biến đổi phương trình về dạng :

\(\frac{\left(\frac{5}{4}\right)^x+1}{\left(\frac{1}{4}\right)^x+\left(\frac{2}{4}\right)^x+\left(\frac{3}{4}\right)^x}=\frac{3}{2}\)

Nhận thấy \(x=1\) là nghiệm 

Nếu \(x>1\) thì \(\left(\frac{5}{4}\right)^x+1>\frac{5}{4}+1=\frac{9}{4}\) và \(\left(\frac{1}{4}\right)^x+\left(\frac{2}{4}\right)^x+\left(\frac{3}{4}\right)^x<\frac{1}{4}+\frac{2}{4}+\frac{3}{4}=\frac{6}{4}\)

Suy ra vế trái >\(\frac{3}{2}\)= vế phải, phương trình vô nghiệm. Tương tự khi x<1.

Đáp số : x=1

Đặt \(t=lgx\), viết lại phương trình ở dạng :

\(3^2+3t.3-\left(t^4+t^3-2t^2\right)=0\)

Coi 3=u là ẩn, giải phương trình bậc 2 theo ẩn u,

\(\Delta=\left(2t^2+t\right)^2\)

tìm được 

\(\begin{cases}u=-t^2-2t\\u=t^2-t\end{cases}\) và \(\begin{cases}x=10^{\frac{1+\sqrt{13}}{2}}\\x=10^{\frac{1-\sqrt{13}}{2}}\end{cases}\)

Xét hàm số \(f\left(t\right)=t^{\cos\alpha}-t\cos\alpha\)

Ta có : \(f'\left(x\right)=\left(t^{\cos\alpha}-1\right)\cos\alpha\)

Khi đó \(f\left(3\right)=f\left(2\right)\) và \(f\left(1\right)\) khả vi liên tục trên \(\left[2;3\right]\) Theo định lí Lagrange thì tồn tại \(c\in\left[2;3\right]\) sao cho :

\(f'\left(c\right)=\frac{f\left(3\right)-f\left(2\right)}{3-2}\) hay \(\left(c^{\cos\alpha-1}-1\right)\cos\alpha\)

Từ đó suy ra :

\(\begin{cases}\cos\alpha=0\\\cos\alpha=1\end{cases}\)\(\Leftrightarrow\begin{cases}\alpha=\frac{\pi}{2}+k\pi\\\alpha=k\pi\end{cases}\) \(\left(k\in Z\right)\)

Thử lại ta thấy các giá trị này đều thỏa mãn

Vậy nghiệm của phương trình là \(x=\frac{\pi}{2}+k\pi;x=k\pi\) và \(\left(k\in Z\right)\)

Điều kiện x>0. Đặt \(u=\log_3x\) thì \(x=3^u\). Khi đó phương trình trở thành 

\(4^u+2^u=2.3^u\Leftrightarrow4^u-3^u=3^u-2^u\)

Giả sử phương trình ẩn u này có nghiệm \(\alpha\), tức là

\(4^{\alpha}-3^{\alpha}=3^{\alpha}-2^{\alpha}\)

Xét hàm số \(f\left(t\right)=\left(t+1\right)^{\alpha},t>0\)

Ta có :

\(f'\left(t\right)=\alpha\left[\left(t+1\right)^{\alpha-1}-1^{\alpha-1}\right]\)

Khi đó f(3)=f(2), f(t) khả vi liên tục trên (2,3). Theo định lia Lagrange, tồn tại \(c\in\left[2;3\right]\) sao cho \(f'\left(c\right)=0\)

\(\Leftrightarrow\alpha\left[\left(c+1\right)^{\alpha-1}-c^{\alpha-1}\right]=0\Leftrightarrow\begin{cases}\alpha=0\\\alpha=1\end{cases}\)

Thử lại thấy \(u=\alpha=0\) và \(u=\alpha=1\) đều thỏa mãn.

Vậy x=1, x=3

Đặt \(t=2^x\left(t>0\right)\), xét hàm số \(F\left(t\right)=\frac{a}{3}t^3+\frac{b}{3}t^2+ct\) khả vi liên tục trên \(\left(0;+\infty\right)\) và \(F\left(1\right)-F\left(0\right)=\frac{a}{3}+\frac{b}{2}+c=0\)

Theo định lí Laggange thì tồn tại ít nhất 1 số \(k\in\left(0;1\right)\) sao cho :

\(F'\left(k\right)=ak^2+bk+c=0\)

Do đó \(x=\log_2k\) là nghiệm của phương trình đã cho

\(\Leftrightarrow\frac{3^{\sin^2x}+3}{3^{\sin^2x}}-4=2^{2.\frac{x}{2}}+2^{2.\frac{-x}{2}}-2\)

\(\Leftrightarrow\frac{\left(3^{\sin^2x}-1\right)\left(3^{\sin^2x}-3\right)}{3^{\sin^2x}}=\left(2^{\frac{x}{2}}-2^{\frac{-x}{2}}\right)^2\)

Vì 0 \(\le\sin^2x\)\(\le1\) nên  1 \(\le3\sin^2x\)\(\le3\) . Suy ra  Vế trái \(\le0\)\(\le\)  vế phải và phương trình tương đương với hệ :

\(\begin{cases}\left(3^{\sin^2x}-1\right)\left(3^{\sin^2x}-3\right)=0\\2^{\frac{x}{2}}-2^{\frac{-x}{2}}=0\end{cases}\)

Từ phương trình thứ 2, dễ dàng suy ra x=0 (thỏa mãn). Vậy x=0 là nghiệm duy nhất của phương trình đã cho.

Nếu $x+2>2x+1$ thì $2^{x+2}>2^{2x+1},3^{x+2}>3^{2x+1}$ nên VT>VP.

Nếu $x+2<2x+1$ thì $2^{x+2}<2^{2x+1},3^{x+2}<3^{2x+1}$ nên VT<VP.

Vậy x+2=2x+1 hay x=1

Phương trình đã cho tương đương với phương trình 

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

Dễ thấy \(x=1\) là nghiệm của phương trình

Nếu \(x>1\) thì \(x+2<2x+1\)

Do đó

\(3^{x+2}<3^{2x+1};3^{2x+1}>2^{x+2}\)

Hay vế trái <0< Vế phải, phương trình vô nghiệm

Tương tự, nếu x<1 thì phương trình cũng vô nghiệm

Vạy x=1 là nghiệm duy nhất của phương trình

Điều kiện x>0. Nhận thấy x=2 là nghiệm. 

Nếu x>2 thì

\(\frac{x}{2}>\frac{x+2}{4}>1\); \(\frac{x+1}{3}>\frac{x+3}{5}>1\)

Suy ra 

\(\log_2\frac{x}{2}>\log_2\frac{x+2}{4}>\log_4\frac{x+2}{4}\)hay :\(\log_2x>\log_2\left(x+2\right)\)

\(\log_3\frac{x+1}{3}>\log_3\frac{x+3}{5}>\log_5\frac{x+3}{5}\) hay \(\log_3\left(x+1\right)>\log_5\left(x+3\right)\)

Suy ra vế trái < vế phải, phương trình vô nghiệm.

Đáp số x=2