Логарифмические уравнения и неравенства в прикладных задачах (Задание 10)
Задание 10 проверяет умение работать с формулами из физики, техники и химии. Логарифмы в этом номере встречаются реже, чем показательные или степенные функции, но в банке задач они присутствуют стабильно. Чаще всего это сюжет про работу при изотермическом сжатии газа в водолазном колоколе, реже - задачи про уровень звука в децибелах или про pH.
Главное, что нужно понимать: от тебя не требуется знание физики. Задача чисто алгебраическая - найти в тексте формулу, выписать все известные значения, подставить их и решить полученное логарифмическое уравнение или неравенство.
Основные формулы
Для задания 10 достаточно помнить определение логарифма и одно свойство потенцирования.
Алгоритм решения
Чтобы не запутаться в длинном тексте задачи, придерживайся чёткого плана.
Примеры решения
Ниже три типовые задачи: два сюжета с основанием 2 и одна задача на уровень звука с log10.
Пример 1. Поиск конечного давления (основание 2)
Водолазный колокол, содержащий ν=2 моль воздуха при давлении p1=1,5 атмосферы, медленно опускают на дно водоёма. При этом происходит изотермическое сжатие воздуха до конечного давления p2 (в атмосферах). Работа (в джоулях), совершаемая водой при сжатии воздуха, вычисляется по формуле:
A=ανTlog2p1p2
где α=8,5Дж/(моль⋅К) - постоянная, T=300К - температура воздуха. Найди, какое давление p2 будет иметь воздух в колоколе, если при сжатии была совершена работа в 10200 Дж. Ответ дай в атмосферах.
Выписываем данные и подставляем в формулу
Выпишем известные значения:
A=10200; α=8,5; ν=2; T=300; p1=1,5.
Подставим всё в формулу:
10200=8,5⋅2⋅300⋅log21,5p2
Изолируем логарифм
Перемножим числовые коэффициенты перед логарифмом. Удобно сначала 8,5⋅2=17, затем 17⋅300=5100:
10200=5100⋅log21,5p2
Разделим обе части на 5100:
log21,5p2=510010200=2
Потенцируем и находим давление
Потенцируем. Основание 2, значение логарифма 2, значит аргумент равен 22=4:
1,5p2=4
Находим p2=4⋅1,5=6.
Ответ:6
Второй пример - та же схема, но теперь неизвестная стоит в знаменателе логарифма.
Пример 2. Поиск конечного объёма
Водолазный колокол, содержащий ν=5 моль воздуха объёмом V1=32 л, медленно опускают на дно водоёма. При этом происходит изотермическое сжатие воздуха до конечного объёма V2 (в литрах). Работа (в Дж), совершаемая водой при сжатии воздуха, вычисляется по формуле A=ανTlog2V2V1, где α=11,5Дж/(моль⋅К), T=250К. Найди, какой объём V2 будет занимать воздух в колоколе, если при сжатии была совершена работа 43125 Дж. Ответ дай в литрах.
Разделим обе части на 14375. Числа большие, но в ЕГЭ они всегда подобраны под целый ответ. Прикидка последней цифры: 5⋅3=15. Проверка: 14375⋅3=43125 - верно.
log2V232=3
Потенцируем и выражаем объём
Потенцируем (23=8):
V232=8
Выражаем V2: V2=832=4.
Ответ:4
Теперь пример с неравенством и десятичным логарифмом. В условии часто звучит слово «не менее» или «не более» - это всегда знак неравенства.
Пример 3. Уровень звука в децибелах (основание 10)
Уровень громкости L (в дБ) звука с интенсивностью I (в Вт/м²) вычисляется по формуле
L=10log10I0I,
где I0=10−12 Вт/м² - порог слышимости. На концерте установлено ограничение: уровень громкости не должен превышать 90 дБ. Найди наибольшую допустимую интенсивность I, при которой концерт не нарушает норму. Ответ дай в Вт/м².
Составляем неравенство
Фраза «не должен превышать» - это знак ⩽:
L⩽90
10log1010−12I⩽90
Изолируем логарифм
Разделим обе части на 10:
log1010−12I⩽9
Потенцируем
Основание логарифма 10>1, значит при потенцировании знак неравенства сохраняется:
10−12I⩽109
Находим наибольшую интенсивность
Умножим обе части на 10−12 (число положительное, знак не меняется):
I⩽109⋅10−12=10−3
Получили I∈(0;10−3]. Наибольшая допустимая интенсивность - правый конец промежутка.
Ответ:0,001
Частые ошибки
Что запомнить
Страшный физический текст - это декорация. Твоя работа: выписать числа, подставить в формулу, изолировать логарифм, потенцировать.
Внимательно смотри, что именно требуется (V1 или V2, p1 или p2): они стоят на разных местах в дроби - в числителе или знаменателе.
В неравенстве с loga: основание >1 - знак сохраняется, основание <1 - знак меняется.
В задачах на «наибольшее/наименьшее» при условии «не более/не менее» ответ всегда совпадает с границей полученного промежутка.
Стратегия на экзамене
Проверь себя
Чему равен x, если log23x=4?
Из уравнения 10200=5100⋅log21,5p2 следует, что 1,5p2 равно
В неравенстве log0,5x⩾3 при потенцировании знак неравенства