共同骨架
所有对数函数共有的骨架
先看与底数大小无关的性质。对数的真数必须为正,也就是 $x>0$,所以定义域是 $(0,+\infty)$。
值域说明函数实际能取到哪些值。对任意实数 $y$,取 $x=a^y>0$,这个 $x$ 就在定义域内。根据对数定义,有
任意实数 $y$ 都能这样取到,因此函数值能取遍全体实数,值域是 $\mathbb R$。
再看图象经过哪里。因为 $a^0=1$,所以按对数定义可得
这说明所有对数函数的图象都经过定点 $(1,0)$。由于始终要求 $x>0$,图象全部位于 $y$ 轴右侧,不会与 $y$ 轴相交。
单调方向
两种单调方向从哪里来
共同的定义域、值域和定点,并不能决定图象是上升还是下降。要判断单调性,可以把两个对数值还原成指数。
任取 $0<x_1<x_2$,把对应的两个函数值分别记为
根据对数定义,$a^{y_1}=x_1$、$a^{y_2}=x_2$。把这两个关系代入 $x_1<x_2$,得到
当 $a>1$ 时
指数函数 $a^y$ 递增,较小的函数值来自较小的指数。因此,由 $a^{y_1}<a^{y_2}$ 可知 $y_1<y_2$。这说明较小的真数对应较小的对数值,所以 $y=\log_ax$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调递增。
当 $0<a<1$ 时
指数函数 $a^y$ 递减,较小的函数值反而来自较大的指数。因此,由 $a^{y_1}<a^{y_2}$ 可知 $y_1>y_2$。这说明较小的真数对应较大的对数值,所以 $y=\log_ax$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调递减。
图象性质
把图象特征放在一起看
有了定点 $(1,0)$ 和单调方向,就可以继续判断函数值的正负,以及图象在两端怎样变化。
| 性质 | $a>1$ | $0<a<1$ |
|---|---|---|
| 单调性 | 在 $(0,+\infty)$ 上递增 | 在 $(0,+\infty)$ 上递减 |
| $x>1$ 时 | $\log_ax>0$ | $\log_ax<0$ |
| $0<x<1$ 时 | $\log_ax<0$ | $\log_ax>0$ |
| $x$ 从正数一侧趋近 $0$ 时 | 函数值向负方向无限减小 | 函数值向正方向无限增大 |
| $x$ 不断增大时 | 函数值向正方向无限增大 | 函数值向负方向无限减小 |
符号规律来自定点 $(1,0)$ 和单调性。图象在 $x=1$ 时函数值为 $0$,再判断它在这一点左、右两侧是上升还是下降,就能确定函数值的正负。图象靠近 $y$ 轴时虽然会无限延伸,却始终只在 $x>0$ 的范围内。
两端的变化仍可回到 $x=a^y$ 理解。以 $a>1$ 为例,要让正数 $a^y$ 越来越接近 $0$,指数 $y$ 必须向负方向不断减小;要让 $a^y$ 不断增大,指数 $y$ 必须向正方向不断增大。
当 $0<a<1$ 时,指数函数的方向相反,因此表中的两端趋势也随之反转。
分别取底数 $2$ 和 $\frac12$,观察曲线经过 $(1,0)$ 后怎样变化,以及它在 $x$ 轴上方还是下方。
$y=\log_2x$:递增
$y=\log_{\frac12}x$:递减
两幅图使用相同的坐标尺度。它们都经过 $(1,0)$,都不与 $y$ 轴相交,但单调方向和正负分布相反。图中只画出一段曲线;曲线仍会继续延伸,绘图边界不是定义域的端点。
同底比较
用单调性比较同底数对数
图象的单调方向也决定了大小比较的方向。先确认两个对数的底数相同,且满足 $a>0$、$a\ne1$;真数还要满足 $M>0$、$N>0$。
当 $a>1$ 时,对数函数递增,真数较小,对数值也较小:
不等号方向保持不变。当 $0<a<1$ 时,对数函数递减,真数较小,对数值反而较大:
这时不等号方向发生反转。
比较 $\log_{0.3}1.8$ 与 $\log_{0.3}2.7$
两个真数都为正,且 $1.8<2.7$。它们的底数同为 $0.3$,位于 $(0,1)$ 内,因此对数函数递减,得到
较小的真数 $1.8$,对应的对数值反而较大。
若题目只说明 $a>0$ 且 $a\ne1$,却没有指出 $a>1$ 还是 $0<a<1$,就必须分类讨论。若两个对数的底数不同,也不能直接套用同一个对数函数的单调性。
最终需要把三件事连在一起:真数为正,决定图象只在 $y$ 轴右侧;$\log_a1=0$,决定共同定点;底数在 $1$ 的哪一侧,决定图象的单调方向、函数值的正负以及大小比较的方向。
比较同底数对数,先确认真数为正,再按底数所在范围判断方向。