使用代换 u=7xu = 7^x,解方程 72x+2−4(7x+1)−5=07^{2x+2}-4(7^{x+1})-5=0,并证明该解可以写成 log⁡ab−1\log_a b -1 的形式,其中 aa 和 bb 是待确定的整数。 解方程 log⁡3(2x−1)−log⁡9(x2+2)=log⁡255\log_3(2x-1)-\log_9(x^2+2)=\log_{25}5。

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完整解法

2(a)

1. Express the equation in terms of $u = 7^x$.

72(7x)2−4(7)(7x)−5=07^2(7^x)^2 - 4(7)(7^x) - 5 = 0
49u2−28u−5=049u^2 - 28u - 5 = 0

2. Solve the quadratic equation for $u$.

(7u−5)(7u+1)=0(7u - 5)(7u + 1) = 0
u=57oru=−17u = \frac{5}{7} \quad \text{or} \quad u = -\frac{1}{7}

3. Substitute back $u = 7^x$ and reject the invalid solution.

7x=57or7x=−177^x = \frac{5}{7} \quad \text{or} \quad 7^x = -\frac{1}{7}
Since 7x>07^x > 0 for all real xx, 7x=−177^x = -\frac{1}{7} has no real solution.

4. Solve for $x$ and express it in the required form.

x=log⁡7(57)x = \log_7\left(\frac{5}{7}\right)
x=log⁡75−log⁡77x = \log_7 5 - \log_7 7
x=log⁡75−1x = \log_7 5 - 1
Comparing with log⁡ab−1\log_a b - 1, we have a=7a = 7 and b=5b = 5.

答案

x=log⁡75−1x = \log_7 5 - 1 (where a=7a = 7, b=5b = 5)

2(b)

1. Evaluate the constant term on the right hand side.

log⁡255=12\log_{25}5 = \frac{1}{2}

2. Change the base of the logarithm to base 3.

log⁡9(x2+2)=log⁡3(x2+2)log⁡39=12log⁡3(x2+2)\log_9(x^2+2) = \frac{\log_3(x^2+2)}{\log_3 9} = \frac{1}{2}\log_3(x^2+2)

3. Combine the logarithmic terms into a single logarithm.

log⁡3(2x−1)−12log⁡3(x2+2)=12\log_3(2x-1) - \frac{1}{2}\log_3(x^2+2) = \frac{1}{2}
2log⁡3(2x−1)−log⁡3(x2+2)=12\log_3(2x-1) - \log_3(x^2+2) = 1
log⁡3(2x−1)2−log⁡3(x2+2)=1\log_3(2x-1)^2 - \log_3(x^2+2) = 1
log⁡3(2x−1)2x2+2=1\log_3 \frac{(2x-1)^2}{x^2+2} = 1

4. Convert the logarithmic equation to an algebraic equation and solve for $x$.

(2x−1)2x2+2=31=3\frac{(2x-1)^2}{x^2+2} = 3^1 = 3
4x2−4x+1=3x2+64x^2 - 4x + 1 = 3x^2 + 6
x2−4x−5=0x^2 - 4x - 5 = 0
(x−5)(x+1)=0(x-5)(x+1) = 0
x=5 or x=−1x = 5 \text{ or } x = -1

5. Check for extraneous solutions.

When x=−1x = -1, 2x−1=−3<02x-1 = -3 < 0, so log⁡3(2x−1)\log_3(2x-1) is undefined. Thus, x=−1x = -1 is rejected.
When x=5x = 5, 2x−1=9>02x-1 = 9 > 0 and x2+2=27>0x^2+2 = 27 > 0, which are valid.
Therefore, x=5x = 5.

答案

x=5x = 5

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