B 函数图像与变化关系 · 22 · 选学

变底数的对数函数

通常的对数函数固定底数,让真数变化。现在固定真数 $N$,让底数 $x$ 变化。底数的限制会把定义域分成两部分;用换底公式,可以看清每个分支的符号、变化方向,以及真数互为倒数时的图象关系。

自变量与定义域

先确定什么在变

固定常数 $N>0$ 且 $N\ne1$,定义

$$f_N(x)=\log_xN.$$

这里 $N$ 始终不变,$x$ 才是自变量。

$x$ 在对数的底数位置,必须满足 $x>0$ 且 $x\ne1$,所以定义域是

$$(0,1)\cup(1,+\infty).$$

$x=0$ 和负数都不能作为实数对数的底数;以 $1$ 为底,也无法用不同指数表示不同的正数。

这里把 $N=1$ 排除在研究范围外,不是说式子没有意义。对所有合法的 $x$,都有 $\log_x1=0$。这时得到的是分布在 $x$ 轴上的零函数,不再具有下面讨论的非零两分支结构。

换底公式

换底公式揭示变化来源

要看清底数变化怎样影响函数值,先把底数换成一个固定的数。取任意固定底数 $a>1$,由换底公式得到

$$f_N(x)=\log_xN=\frac{\log_aN}{\log_ax}.$$

分子 $\log_aN$ 是由 $N$ 决定的常数,真正随 $x$ 变化的是分母 $\log_ax$。

因为 $a>1$,$\log_ax$ 随 $x$ 增大而增大:在 $0<x<1$ 时为负,在 $x>1$ 时为正。从这个商出发,就能判断函数值的符号和单调方向,无须使用导数。

分支与象限

两个分支分别落在哪个象限

分母的符号已经确定,再看分子 $\log_aN$ 的符号,就能找到两个分支的位置。

当 $N>1$ 时,分子为正。在 $(0,1)$ 上,分母为负,因此 $f_N(x)<0$,这一支位于第四象限;在 $(1,+\infty)$ 上,分母为正,因此 $f_N(x)>0$,这一支位于第一象限。

当 $0<N<1$ 时,分子为负。符号恰好反过来:$(0,1)$ 上的分支位于第一象限,$(1,+\infty)$ 上的分支位于第四象限。

两种情形中,$x$ 都为正,整幅图象只分布在第一、第四象限。又因为 $N\ne1$,分子不为零,所以函数值不会等于 $0$,图象不与 $x$ 轴相交。

分支单调性

单调方向为什么随 $N$ 改变

判断变化方向时,必须在同一个分支内比较。在 $(0,1)$ 或 $(1,+\infty)$ 内任取 $x_1<x_2$,记

$$u_1=\log_ax_1,\qquad u_2=\log_ax_2.$$

因为 $a>1$,对数函数递增,所以 $u_1<u_2$。两点又在同一分支内,$u_1$、$u_2$ 同号,因此 $u_1u_2>0$。

把两个倒数相减并通分:

$$\frac1{u_1}-\frac1{u_2}=\frac{u_2-u_1}{u_1u_2}>0.$$

右边的分子 $u_2-u_1$ 和分母 $u_1u_2$ 都为正,所以差为正,即 $\dfrac1{u_1}>\dfrac1{u_2}$。这说明 $\dfrac1{\log_ax}$ 在两个区间上分别严格递减。

当 $N>1$ 时,常数 $\log_aN$ 为正,乘上它不改变大小关系,所以 $f_N(x)$ 在两个区间上分别单调递减。

当 $0<N<1$ 时,常数 $\log_aN$ 为负,乘上它会反转大小关系,所以 $f_N(x)$ 在两个区间上分别单调递增。

两个区间不能合并成一个单调区间。$x=1$ 不在定义域内,而且跨过 $1$ 后函数值会改变符号,跨分支比较也不符合相应的单调方向。“分别”二字不能省略。

倒数参数对称

倒数参数带来关于 $x$ 轴的对称

如果把固定真数换成它的倒数,图象会怎样变化?设 $M>0$ 且 $M\ne1$,对同一个合法输入 $x$,先按定义写出新函数:

$$f_{1/M}(x)=\log_x\frac1M.$$

把倒数写成负一次幂:

$$\log_x\frac1M=\log_xM^{-1}.$$

使用对数的幂运算性质,把指数 $-1$ 提到对数前:

$$\log_xM^{-1}=-\log_xM.$$

最后用 $f_M(x)=\log_xM$ 换回函数记号:

$$-\log_xM=-f_M(x).$$

于是 $f_{1/M}(x)=-f_M(x)$。对同一个合法输入 $x$,两个函数值互为相反数,所以 $y=\log_xM$ 与 $y=\log_x\dfrac1M$ 的图象关于 $x$ 轴对称。

取 $M=2$,比较真数为 $2$ 和 $\dfrac12$ 的两幅图象。同一横坐标处,它们分居 $x$ 轴两侧,到 $x$ 轴的距离相等。

实线:$N=2$虚线:$N=\dfrac12$
真数互为倒数时,变底数对数函数的图象关于横轴对称 蓝色实线表示真数为2,紫色虚线表示真数为二分之一。每条曲线在x等于1的两侧分别绘制,没有连接。真数为2的两个分支分别递减,真数为二分之一的两个分支分别递增,两条曲线关于横轴对称。这里只显示曲线的一部分。 01234xy3−3x = 1
$N=2$ 的实线与 $N=\dfrac12$ 的虚线关于 $x$ 轴对称。灰色竖虚线标出不能取的 $x=1$,两个分支没有在此相连。图中只画出曲线的一部分,绘图边界不是定义域的端点。

在 $y=\log_xN$ 中,$N$ 固定,底数 $x$ 变化。换底公式把它写成“常数除以 $\log_ax$”。

看分子符号,分清分母所在区间,就能统一理解象限、单调分支和倒数参数的对称关系。

选学对应:北师大版必修第一册第四章 *§5;人教 A 版无对应编号正文。