数学救急室
#2d320ace-9dd5-4575-ab8b-1c9b3a9ecc67简单解答题对数与对数函数函数

对数函数的定义域与值域综合应用

已知函数 f(x)=log⁡2(x+3x−1)f(x) = \log_{2}\left(\dfrac{x+3}{x-1}\right)。 (1)求函数 f(x)f(x) 的定义域; (2)若 f(x)=1f(x) = 1,求满足条件的 xx 值; (3)判断函数 f(x)f(x) 在其定义域内的单调性,并说明理由。

解析
(1)要使对数有意义,真数必须大于0,即 x+3x−1>0\dfrac{x+3}{x-1} > 0。 解该分式不等式:分子零点为 x=−3x = -3,分母零点为 x=1x = 1,两零点将实数轴分为三段:(−∞,−3)(-\infty, -3)、(−3,1)(-3, 1)、(1,+∞)(1, +\infty)。 列表或穿根法分析符号: - 当 x<−3x < -3 时,x+3<0x+3 < 0,x−1<0x-1 < 0,故分式 >0> 0; - 当 −3<x<1-3 < x < 1 时,x+3>0x+3 > 0,x−1<0x-1 < 0,故分式 <0< 0; - 当 x>1x > 1 时,x+3>0x+3 > 0,x−1>0x-1 > 0,故分式 >0> 0。 又分母不能为0,故 x≠1x \ne 1。综上,定义域为 (−∞,−3)∪(1,+∞)(-\infty, -3) \cup (1, +\infty)。 (2)由 f(x)=1f(x) = 1,得 log⁡2(x+3x−1)=1\log_{2}\left(\dfrac{x+3}{x-1}\right) = 1, 即 x+3x−1=21=2\dfrac{x+3}{x-1} = 2^1 = 2(注意此步隐含真数 >0>0,后续需检验是否在定义域内)。 解方程:x+3x−1=2\dfrac{x+3}{x-1} = 2,两边同乘 x−1x-1(注意 x≠1x \ne 1): x+3=2(x−1)⇒x+3=2x−2⇒x=5x + 3 = 2(x - 1) \Rightarrow x + 3 = 2x - 2 \Rightarrow x = 5。 验证:x=5x = 5 满足定义域(5>15 > 1),且 5+35−1=84=2>0\dfrac{5+3}{5-1} = \dfrac{8}{4} = 2 > 0,成立。故解为 x=5x = 5。 (3)令 u(x)=x+3x−1u(x) = \dfrac{x+3}{x-1},则 f(x)=log⁡2u(x)f(x) = \log_2 u(x)。由于底数 2>12 > 1,log⁡2u\log_2 u 关于 uu 单调递增,因此 f(x)f(x) 的单调性由 u(x)u(x) 在各区间上的单调性决定。 化简:u(x)=x+3x−1=1+4x−1u(x) = \dfrac{x+3}{x-1} = 1 + \dfrac{4}{x-1}(作多项式除法或配凑)。 可见 u(x)u(x) 在 (−∞,−3)(-\infty, -3) 和 (1,+∞)(1, +\infty) 上均为反比例型函数,导数 u′(x)=−4(x−1)2<0u'(x) = -\dfrac{4}{(x-1)^2} < 0(对所有 x≠1x \ne 1 成立),故 u(x)u(x) 在其每个连续区间上严格递减。 又因 log⁡2u\log_2 u 单调递增,复合函数 f(x)=log⁡2(u(x))f(x) = \log_2(u(x)) 在定义域的每个区间上均严格递减。 具体地: - 在 (−∞,−3)(-\infty, -3) 上,u(x)>0u(x) > 0 且递减 ⇒f(x)\Rightarrow f(x) 递减; - 在 (1,+∞)(1, +\infty) 上,u(x)>0u(x) > 0 且递减 ⇒f(x)\Rightarrow f(x) 递减。 因此,f(x)f(x) 在 (−∞,−3)(-\infty, -3) 上单调递减,在 (1,+∞)(1, +\infty) 上也单调递减(注意:因定义域不连通,不能称在整个定义域上单调递减)。