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第 4 章 指数与对数

指数让数"翻倍翻倍再翻倍",快得吓人;对数则是它的"逆运算",把爆炸的大数拉回来。这一章用一张纸的对折感受指数爆炸,再看指数与对数怎么互为镜像。

知识点 4.1

指数运算与指数爆炸

初中学过正整数指数 aⁿ。高中把它扩展到分数指数幂负指数

$a^{1/n}=\sqrt[n]{a}$  $a^{m/n}=\sqrt[n]{a^m}$  $a^{-n}=\dfrac{1}{a^n}$  $a^0=1\ (a\ne 0)$
运算法则:$a^m\cdot a^n=a^{m+n}$  $(a^m)^n=a^{mn}$  $a^m/a^n=a^{m-n}$
指数爆炸有多猛?一张 0.1 mm 厚的纸,每对折一次厚度翻倍(×2)。看起来不起眼——但对折 30 次就超过珠穆朗玛峰,对折约 42 次能够到月球!拖动滑块感受一下。
对折次数 n = 10

知识点 4.2

对数的概念

问题反过来:2 的几次方等于 8?这个"几次方"就是对数。

$a^b=N\ \Longleftrightarrow\ \log_a N=b$ ($a\gt 0$ 且 $a\ne 1$,$N\gt 0$)

读作"以 a 为底 N 的对数"。a 叫底数,N 叫真数。两个特殊底:常用对数 lg N = log₁₀N,自然对数 ln N = log_e N

运算法则(把乘除降为加减):
log_a(MN) = log_a M + log_a N | log_a(M/N) = log_a M − log_a N | log_a Mⁿ = n·log_a M

👇 "指数 ⇄ 对数"翻译器:拖动指数 b,看 N = 2ᵇ 与对应的 log₂N = b 同时变化:

2³ = 8 log₂8 = 3
指数 b = 3.0

知识点 4.3

指数函数与对数函数互为逆

y = 2ˣ 把 x 变成 N;y = log₂x 又把 N 变回 x——它们互相抵消,所以叫互为反函数。在图象上,这表现为两条曲线关于直线 y = x 对称(像照镜子)。

动手看:拖滑块取一点。紫色曲线是 y = 2ˣ 上的点 P = (x, 2ˣ),把它的横纵坐标对调,就落到青色曲线 y = log₂x 上的 P′ = (2ˣ, x)。两点正好关于虚线 y = x 对称。
x = 1.5

🎮 实战

指对闯关

答对解锁下一关,集齐 ⭐ 即通关。卡住了就回上面的图再看一眼。

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