U linearnim i kvadratnim jednačinama nepoznata se nalazi u bazi, na primer x2−5x+6=0. Eksponencijalne jednačine su drugačije: nepoznata je u eksponentu, na primer 2x=8. To znači da standardno "premeštanje na drugu stranu" ne funkcioniše.
Na primer, iz 2x+2x+1=24 ne može se prosto "preneti" 2x+1 na drugu stranu i rešiti kao linearnu jednačinu. Umesto toga, koristi se ključno svojstvo: ako je af(x)=ag(x) i a>0, a=1, onda mora biti f(x)=g(x). Cilj svakog postupka je da se obe strane dovedu na istu osnovu.
Osnovna ideja: ako je af(x)=ag(x) i a>0, a=1, onda važi f(x)=g(x).
Kad je cela jednačina razlomak sa stepenima, primeniti pravila anam=am−n i am+n=am⋅an da se sve spoji u jedan stepen, pa tek onda izjednačiti eksponente.
1.1 Direktno svođenje
Kad se sve osnove mogu izraziti kao stepeni istog broja, jednačina se svodi na algebarsku jednačinu eksponenata.
Primer:8x−122x−1⋅4x+1=64
Korak 1. Sve osnove su stepeni broja 2:
4=22,8=23,64=26
Korak 2. Zameniti u jednačinu:
(23)x−122x−1⋅(22)x+1=26
Korak 3. Primeniti pravilo (am)n=amn:
23x−322x−1⋅22x+2=26
Korak 4. Sabrati eksponente u brojiocu i oduzeti imenilac koristeći akam⋅an=am+n−k:
2(2x−1)+(2x+2)−(3x−3)=26
2x+4=26
Korak 5. Osnove su jednake, izjednačiti eksponente:
x+4=6⟹x=2
1.2 Decimalni brojevi i koreni kao stepeni
Decimalni brojevi i koreni se moraju pretvoriti u stepene pre nego što se nastavi sa rešavanjem.
Korak 2. Desnu stranu zapisati kao stepen broja 2:
28=21/223=23−21=225
Korak 3. Zameniti u jednačinu i primeniti (am)n=amn:
(2−1)x2−20x+61,5=225
2−(x2−20x+61,5)=22,5
Korak 4. Izjednačiti eksponente i srediti:
−(x2−20x+61,5)=2,5
−x2+20x−64=0
x2−20x+64=0
Korak 5. Rešiti kvadratnu jednačinu:
x1,2=220±400−256=220±12
x1=16,x2=4
1.3 Recipročne osnove
Ako su osnove recipročne (ba i ab), koristiti (ba)−1=ab da se sve svede na jednu osnovu.
Primer:(73)3x−7=(37)7x−3
Korak 1. Desnu osnovu izraziti preko leve:
37=(73)−1
Korak 2. Zameniti i primeniti (am)n=amn:
(73)3x−7=(73)−(7x−3)=(73)−7x+3
Korak 3. Izjednačiti eksponente:
3x−7=−7x+3
10x=10⟹x=1
1.4 Izvlačenje zajedničkog faktora
Kad se isti stepen pojavljuje u više članova, izvući ga kao zajednički faktor i rešiti po stepenu.
Primer:2⋅3x+1−4⋅3x−2=450
Korak 1. Rastaviti svaki stepen koristeći am+n=am⋅an:
2⋅3x⋅3−4⋅93x=450
6⋅3x−94⋅3x=450
Korak 2. Izvući 3x kao zajednički faktor:
3x(6−94)=450
3x⋅950=450
Korak 3. Izdvojiti 3x:
3x=450⋅509=81=34
Korak 4. Izjednačiti eksponente:
x=4
2. Smena
Kad se isti stepen pojavljuje više puta u jednačini, uvesti smenu t=ax da se jednačina svede na kvadratnu.
2.1 Osnovna smena
Primer:4x−10⋅2x−1=24
Korak 1. Sve izraziti preko 2x:
22x−10⋅22x=24
(2x)2−5⋅2x=24
Korak 2. Uvesti smenu t=2x, uz uslov t>0:
t2−5t−24=0
Korak 3. Rešiti kvadratnu jednačinu:
t1,2=25±25+96=25±11
t1=8,t2=−3
Korak 4. Odbaciti negativno rešenje jer t=2x>0, pa vratiti smenu:
2x=8=23⟹x=3
Pri uvođenju smene t=ax (gde je a>0 i a=1), važi uslov:
t>0
Razlog je što eksponencijalna funkcija uvek daje pozitivne vrednosti, bez obzira na vrednost promenljive x.
2.2 Smena sa negativnim eksponentom (razlomak)
Kad jednačina sadrži i ax i a−x (ili ax1), smena t=ax daje razlomak t1. Treba pomnožiti jednačinu sa t da se razlomak eliminiše.
Primer:22+x−22−x=15
Korak 1. Rastaviti stepene koristeći am±n=am⋅a±n:
4⋅2x−4⋅2−x=15
4⋅2x−2x4=15
Korak 2. Uvesti smenu t=2x, t>0:
4t−t4=15
Korak 3. Pomnožiti sa t da se eliminiše razlomak:
4t2−15t−4=0
Korak 4. Rešiti kvadratnu jednačinu:
t1,2=815±225+64=815±17
t1=4,t2=−41
Pošto t>0, odbaciti t2. Vratiti smenu:
2x=4=22⟹x=2
2.3 Složeni eksponent pod korenom
Kad se pod korenom pojavljuje složeni izraz, i taj isti izraz se nalazi u eksponentu, smena se uvodi za ceo stepen aslozˇeni deo.
Primer:4x−2+16=10⋅2x−2
Korak 1. Odrediti domen:
x−2≥0⟹x≥2
Korak 2. Zapisati 4=22 i preurediti:
(2x−2)2−10⋅2x−2+16=0
Korak 3. Uvesti smenu t=2x−2, t>0:
t2−10t+16=0
t1,2=210±6⟹t1=8,t2=2
Korak 4. Vratiti smenu za oba rešenja.
Za t1=8:
2x−2=23⟹x−2=3⟹x=11
Za t2=2:
2x−2=21⟹x−2=1⟹x=3
Oba zadovoljavaju x≥2, pa je:
x∈{3,11}
Kad se vraća smena oblika 2…=2k, eksponent k mora biti nenegativan jer je …≥0 uvek. Ako je k negativan, to rešenje ne postoji u realnim brojevima.
3. Homogene eksponencijalne jednačine
Jednačina oblika A⋅a2x+B⋅ax⋅bx+C⋅b2x=0
zove se homogena eksponencijalna jednačina.
Opšti postupak rešavanja:
Korak 1. Prepoznati da li se sve osnove mogu izraziti kao stepeni dva broja a i b. Prepisati jednačinu u obliku A⋅(ax)2+B⋅ax⋅bx+C⋅(bx)2=0 i prebaciti sve na jednu stranu.
Korak 2. Podeliti celu jednačinu sa (bx)2. Pošto je (bx)2>0 za svako x, znak jednačine se ne menja i deljenje je uvek dozvoljeno. Nastaje kvadratna jednačina po (ba)x.
Korak 3. Uvesti smenu t=(ba)x, uz uslov t>0, i rešiti dobijenu kvadratnu jednačinu.
Korak 4. Za svako pozitivno rešenje t vratiti smenu: rešiti (ba)x=t svođenjem na istu osnovu.
Primer:3⋅16x+2⋅81x=5⋅36x
Korak 1. Prepoznati osnove: 16=42, 81=92, 36=4⋅9. Prepisati i prebaciti sve na levu stranu:
3⋅(4x)2−5⋅4x⋅9x+2⋅(9x)2=0
Korak 2. Podeliti sa (9x)2, što je uvek pozitivno:
3⋅(94)2x−5⋅(94)x+2=0
Korak 3. Uvesti smenu t=(94)x, t>0:
3t2−5t+2=0
t1,2=65±1⟹t1=1,t2=32
Korak 4. Vratiti smenu za oba rešenja.
Za t1=1:
(94)x=1=(94)0⟹x1=0
Za t2=32, primetiti da je 94=(32)2, pa:
(32)2x=(32)1⟹2x=1⟹x2=21
x∈{0,21}
Kad se dobije t=1 kao rešenje, eksponent je uvek 0 bez obzira na osnovu, jer a0=1.
Kad t nije očigledan stepen osnove (npr. t=32, a osnova je 94), pokušati izraziti obe veličine kao stepene istog broja: 94=(32)2.
4. Specijalni slučajevi
4.1 Jednačine oblika f(x)g(x)=1
Zašto je ovo specijalan slučaj? Kad su i baza i eksponent nepoznati, ne može se direktno "izjednačiti eksponente" jer osnove nisu fiksne. Umesto toga, treba pitati: na koji sve način stepen može biti jednak 1?
Jedine tri mogućnosti su:
Slučaj 1: baza je jednaka 1. Važi 1b=1 za bilo koji eksponent b. Rešiti f(x)=1.
Slučaj 2: eksponent je jednak 0. Važi a0=1 za svako a=0. Rešiti g(x)=0 i proveriti da baza nije 0 u toj tački.
Slučaj 3: baza je jednaka −1, a eksponent je paran. Važi (−1)2k=1. Rešiti f(x)=−1 i proveriti da li g(x) zaista daje paran broj.
Ovo su sve moguće situacije u realnim brojevima. Nijedna druga vrednost baze uz nijedan eksponent ne daje 1, osim ove tri kombinacije.
Sva tri slučaja se moraju ispitati. Propustiti jedan slučaj znači propustiti rešenje.
Treći slučaj može dati f(x)=−1 koje ima rešenja, ali ako se to rešenje uvrsti u eksponent g(x) i dobije neparan eksponent, ceo slučaj se odbacuje.
Zašto se proverava da baza nije 0 u slučaju 2?
Izraz 00 je matematički nedefinisan, pa ako se desi da je f(x)=0 baš kad je g(x)=0, to rešenje se mora odbaciti.
Primer:(x2+1)2x−3=1
Slučaj 1: Baza je 1:
x2+1=1⟹x2=0⟹x1=0
Slučaj 2: Eksponent je 0, uz proveru da baza nije 0:
2x−3=0⟹x2=23
(23)2+1=413=0✓
Slučaj 3: Baza je −1 i eksponent je paran:
x2+1=−1⟹x2=−2
Kvadrat realnog broja ne može biti negativan, ovaj slučaj nema rešenja.
x∈{0,23}
4.2 Različite osnove koje se ne mogu svesti
Kad se osnove ne mogu svesti na istu bazu, a ne radi se o homogenoj jednačini, osnove se grupišu: sve sa jednom osnovom na jednu stranu, sve sa drugom na drugu, pa se deli.
Primer:2x+4+2x+2=5x+1+3⋅5x
Korak 1. Rastaviti stepene koristeći am+n=am⋅an:
16⋅2x+4⋅2x=5⋅5x+3⋅5x
Korak 2. Grupišati osnove:
20⋅2x=8⋅5x
Korak 3. Podeliti sa 5⋅5x (stepeni su pozitivni, deljenje je dozvoljeno):
5x2x=208=52
(52)x=(52)1
Korak 4. Izjednačiti eksponente:
x=1
5. Eksponencijalne nejednačine
Eksponencijalne nejednačine se rešavaju na isti način kao jednačine, ali s jednom bitnom razlikom pri prelasku na eksponente.
Pravilo promene znaka nejednačine:
Osnova a>1: eksponencijalna funkcija je rastuća, pa af(x)<ag(x)⟺f(x)<g(x) (znak se ne menja).
Osnova 0<a<1: eksponencijalna funkcija je opadajuća, pa af(x)<ag(x)⟺f(x)>g(x) (znak se menja).
5.1 Svođenje na istu osnovu
Primer:52x−3>2⋅5x−2+3
Ova nejednačina ne može se svesti direktno na istu osnovu jer desna strana sadrži slobodnu konstantu 3. Uvodi se smena.
Korak 1. Sve izraziti preko 5x koristeći am−n=anam:
125(5x)2>252⋅5x+3
Korak 2. Uvesti smenu t=5x, t>0, pa pomnožiti sa 125:
t2>10t+375
t2−10t−375>0
Korak 3. Naći nule kvadratnog trinoma i odrediti znak: t1=25, t2=−15. Trinom je pozitivan za t<−15 ili t>25.
Korak 4. Uz uslov t>0, ostaje samo:
t>25
Korak 5. Vratiti smenu:
5x>25=52
Korak 6. Osnova 5>1, znak se ne menja:
x∈(2,+∞)
5.2 Smena kod nejednačina
Postupak je isti kao kod jednačina. Jedina razlika je da pri vraćanju smene treba pažljivo pratiti smer nejednačine u zavisnosti od osnove.
Primer:9⋅16x+4⋅81x<13⋅36x
Korak 1. Prepoznati homogenu strukturu: 16=42, 81=92, 36=4⋅9. Prebaciti sve na levu stranu:
9⋅(4x)2−13⋅4x⋅9x+4⋅(9x)2<0
Korak 2. Podeliti sa (9x)2>0, znak se ne menja:
9⋅(94)2x−13⋅(94)x+4<0
Korak 3. Uvesti smenu t=(94)x, t>0:
9t2−13t+4<0
Korak 4. Naći nule: t1=94, t2=1. Trinom je negativan za:
t∈(94,1)
Korak 5. Vratiti smenu:
94<(94)x<1
(94)1<(94)x<(94)0
Korak 6. Osnova 94<1, funkcija je opadajuća, znak nejednačine se menja:
0<x<1
x∈(0,1)
Uvek na kraju proveriti da li rezultat pripada domenu. Kod nejednačina sa korenom (npr. x u eksponentu), domen može dodatno ograničiti skup rešenja.
Zadaci za vežbanje iz oblasti: Eksponencijalne jednačine i nejednačine