对数函数

对数函数 y=log⁡axy=\log_a x(a>0,a≠1a>0,a\ne 1)与 y=axy=a^x 互为反函数;性质:a>1a>1 时单调递增、0<a<10<a<1 时单调递减;恒过 (1,0)(1,0)、定义域 (0,+∞)(0,+\infty)。

适用前提与边界条件

  1. 已掌握指数函数 y=axy=a^x 的概念与性质
  2. 已理解函数与反函数的关系

定义

对数:若 (),则 叫作以 为底 的对数,记 。其中 为底数、 为真数。

两类常用对数:

  • 常用对数: 简记 ;
  • 自然对数: 简记 ( 自然常数)。

对数函数:函数 ( 且 )叫作对数函数。定义域 ,值域 。

推导

对数的运算性质():

  1. ;
  2. ;
  3. ();
  4. 换底公式:();
  5. 重要恒等式:。

对数函数的图象与性质:

性质
定义域
值域
定点过 过
单调性单调递增单调递减
当 时
当 时
图象走向自左向右上升自左向右下降

反函数关系: 与 互为反函数,图象关于直线 对称;定义域值域互换。

典例精析

例 1:计算 。

例 2:比较 、、 的大小。

底数 函数 递增,,故 。

底数 函数 递增, 故 。

进一步比较 与 :因 、,由 知 ,故 即 。

综上 。

例 3:求函数 的定义域。

需 即 或 ,定义域 。

对比

项目指数函数 对数函数
互为反函数
定义域
值域
定点
单调性()递增递增
图象关于直线 对称直线 对称

正例与反例

✅ 正例

  • log⁡28=3\log_2 8=3 因 23=82^3=8;log⁡10100=2\log_{10}100=2 因 102=10010^2=100
  • y=log⁡2xy=\log_2 x 单调递增、过 (1,0)(1,0),与 y=2xy=2^x 图象关于直线 y=xy=x 对称

❌ 反例

  • 写 log⁡2(−8)\log_2(-8) 有意义是错的,对数真数必须为正
  • 写 log⁡2(x+y)=log⁡2x⋅log⁡2y\log_2(x+y)=\log_2x\cdot\log_2y 是错的,应为 log⁡2(xy)=log⁡2x+log⁡2y\log_2(xy)=\log_2x+\log_2y

高频误解与考试易错

  • 忽略对数真数 N>0N>0 的条件,写 log⁡a(−x)\log_a(-x) 不限定 x<0x<0
  • 混淆 log⁡a(xy)=log⁡ax+log⁡ay\log_a(xy)=\log_ax+\log_ay 与 log⁡a(x+y)≠log⁡ax⋅log⁡ay\log_a(x+y)\ne\log_ax\cdot\log_ay
  • 把 log⁡abr=rlog⁡ab\log_ab^r=r\log_ab 误用为 log⁡abr=(log⁡ab)r\log_ab^r=(\log_ab)^r
  • 不区分底 a>1a>1 与 0<a<10<a<1 时单调性相反

背后的故事 有争议

对数是怎么被发明的:纳皮尔与一张表

在计算器出现前,天文学家靠一张对数表把乘法变成加法;而纳皮尔最初造出的「对数」,和今天的常用对数并不一样。

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常见问题

对数函数与指数函数有什么关系?
互为反函数。y=axy=a^x 的反函数是 y=log⁡axy=\log_a x。两者图象关于直线 y=xy=x 对称,定义域与值域互换。
对数运算有哪些基本性质?
当 a>0,a≠1a>0,a\ne 1 且 M,N>0M,N>0 时:log⁡a(MN)=log⁡aM+log⁡aN\log_a(MN)=\log_aM+\log_aN、log⁡aMN=log⁡aM−log⁡aN\log_a\dfrac{M}{N}=\log_aM-\log_aN、log⁡aMr=rlog⁡aM\log_aM^r=r\log_aM、换底公式 log⁡aM=log⁡bMlog⁡ba\log_aM=\dfrac{\log_bM}{\log_ba}。
log⁡ax\log_a x 的图象恒过哪个定点?
过点 (1,0)(1,0)。因 log⁡a1=0\log_a1=0 对任意 a>0,a≠1a>0,a\ne 1 成立。
比较 log⁡ax1\log_a x_1 与 log⁡ax2\log_a x_2 大小的方法?
看底 aa:a>1a>1 时单调递增(x1<x2x_1<x_2 时 log⁡ax1<log⁡ax2\log_ax_1<\log_ax_2);0<a<10<a<1 时单调递减(x1<x2x_1<x_2 时 log⁡ax1>log⁡ax2\log_ax_1>\log_ax_2)。

依据与出处

  • 人教 A 版(2019 审定)必修第一册 第四章《指数函数与对数函数》§4.3-4.4