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Capitolo 16: Equazioni logaritmiche

Un'equazione logaritmica è un'equazione in cui l'incognita appare come argomento di uno o più logaritmi, o anche nella base del logaritmo stesso. La forma più semplice è $ \log_a x = k $, dove $a$ è la base ($a>0, a \neq 1$) e $k$ è una costante reale.

La risoluzione delle equazioni logaritmiche richiede due passi fondamentali:

  1. Condizioni di Esistenza (CE): Assicurarsi che gli argomenti di tutti i logaritmi presenti nell'equazione siano strettamente positivi. Questo è il passo più importante e spesso dimenticato.
  2. Risoluzione algebrica: Ricondurre l'equazione a una forma in cui è possibile eliminare il logaritmo, solitamente trasformando entrambi i membri in un logaritmo con la stessa base e poi uguagliando gli argomenti, oppure trasformando la forma logaritmica in una forma esponenziale.

Metodi di Risoluzione

1. Equazioni del tipo $ \log_a f(x) = k $

Questo tipo di equazione può essere risolto trasformandola nella sua forma esponenziale equivalente.

$$ \log_a f(x) = k \quad \iff \quad f(x) = a^k $$

Ricorda sempre di imporre la condizione di esistenza: $ f(x) > 0 $.

2. Equazioni del tipo $ \log_a f(x) = \log_a g(x) $

Se riusciamo a ricondurre entrambi i membri dell'equazione a un singolo logaritmo con la stessa base, possiamo uguagliare gli argomenti.

$$ \log_a f(x) = \log_a g(x) \quad \iff \quad f(x) = g(x) $$

Ricorda sempre di imporre le condizioni di esistenza: $ f(x) > 0 $ e $ g(x) > 0 $.

3. Equazioni risolvibili con Sostituzione

Similmente alle equazioni esponenziali, alcune equazioni logaritmiche possono essere ricondotte a forme quadratiche (o di grado superiore) ponendo una variabile ausiliaria. Ad esempio, in un'equazione contenente $ (\log_a x)^2 $ e $ \log_a x $, si può porre $ t = \log_a x $.

Attenzione: non ci sono restrizioni sul valore di $t$ in questo caso, poiché il codominio del logaritmo è $ \mathbb{R} $.

4. Equazioni con Basi Diverse (o Termini Costanti)

Se le basi dei logaritmi sono diverse, è necessario utilizzare la formula del cambiamento di base per portarli tutti alla stessa base. Se ci sono termini costanti che non sono logaritmi, è spesso utile riscriverli come logaritmi con la base comune (ad esempio, $ 2 = \log_a a^2 $).

Esercizi Guidati

Esercizio 1: Risolvi l'equazione $ \log_2 (x+3) = 4 $.

Soluzione:

1. Condizioni di Esistenza (CE): L'argomento del logaritmo deve essere positivo.

$$ x+3 > 0 \implies x > -3 $$

2. Risoluzione: Trasformiamo in forma esponenziale:

$$ x+3 = 2^4 $$

$$ x+3 = 16 $$

$$ x = 16 - 3 $$

$$ x = 13 $$

3. Verifica: La soluzione $ x = 13 $ soddisfa la CE ($ 13 > -3 $). Quindi, la soluzione è $ x = 13 $.

Esercizio 2: Risolvi l'equazione $ \log(x^2 - 1) = \log(3x - 3) $.

Soluzione: (Assumiamo $ \log $ sia in base 10)

1. Condizioni di Esistenza (CE): Entrambi gli argomenti devono essere positivi.

  • $ x^2 - 1 > 0 \implies (x-1)(x+1) > 0 \implies x < -1 \text{ o } x > 1 $
  • $ 3x - 3 > 0 \implies 3(x-1) > 0 \implies x > 1 $

La CE complessiva è l'intersezione delle due: $ x > 1 $.

2. Risoluzione: Uguagliamo gli argomenti:

$$ x^2 - 1 = 3x - 3 $$

$$ x^2 - 3x + 2 = 0 $$

Risolviamo l'equazione quadratica (usando la scomposizione o la formula):

$$ (x-1)(x-2) = 0 $$

Soluzioni: $ x_1 = 1 $ e $ x_2 = 2 $.

3. Verifica:

  • $ x_1 = 1 $: Non soddisfa la CE $ x > 1 $. Quindi $ x_1 = 1 $ non è una soluzione.
  • $ x_2 = 2 $: Soddisfa la CE $ x > 1 $. Quindi $ x_2 = 2 $ è una soluzione.

L'unica soluzione è $ x = 2 $.

Esercizio 3: Risolvi l'equazione $ (\ln x)^2 - 5 \ln x + 6 = 0 $.

Soluzione:

1. Condizioni di Esistenza (CE): L'argomento del logaritmo deve essere positivo.

$$ x > 0 $$

2. Risoluzione: Poniamo $ t = \ln x $.

L'equazione diventa $ t^2 - 5t + 6 = 0 $.

Risolviamo l'equazione quadratica:

$$ (t-2)(t-3) = 0 $$

Soluzioni per $t$: $ t_1 = 2 $ e $ t_2 = 3 $.

3. Sostituzione inversa:

Caso 1: $ \ln x = 2 $

Trasformiamo in forma esponenziale: $ x = e^2 $.

Caso 2: $ \ln x = 3 $

Trasformiamo in forma esponenziale: $ x = e^3 $.

4. Verifica: Entrambe le soluzioni ($ e^2 \approx 7.39 $ e $ e^3 \approx 20.09 $) soddisfano la CE $ x > 0 $.

Le soluzioni sono $ x = e^2 $ e $ x = e^3 $.

Esercizio 4: Risolvi $ \log_3 (x-1) + \log_3 (x+1) = 1 $.

Soluzione:

1. Condizioni di Esistenza (CE): Entrambi gli argomenti devono essere positivi.

  • $ x-1 > 0 \implies x > 1 $
  • $ x+1 > 0 \implies x > -1 $

La CE complessiva è l'intersezione delle due: $ x > 1 $.

2. Risoluzione: Usiamo la proprietà del logaritmo di un prodotto per combinare i termini a sinistra:

$$ \log_3 ((x-1)(x+1)) = 1 $$

$$ \log_3 (x^2 - 1) = 1 $$

Trasformiamo in forma esponenziale:

$$ x^2 - 1 = 3^1 $$

$$ x^2 - 1 = 3 $$

$$ x^2 = 4 $$

Soluzioni: $ x_1 = 2 $ e $ x_2 = -2 $.

3. Verifica:

  • $ x_1 = 2 $: Soddisfa la CE $ x > 1 $. Quindi $ x_1 = 2 $ è una soluzione.
  • $ x_2 = -2 $: Non soddisfa la CE $ x > 1 $. Quindi $ x_2 = -2 $ non è una soluzione.

L'unica soluzione è $ x = 2 $.

Esercizio 5: Risolvi $ \log_2 x + \log_4 x = 3 $.

Soluzione:

1. Condizioni di Esistenza (CE): $ x > 0 $.

2. Risoluzione: Le basi sono diverse (2 e 4). Convertiamo $ \log_4 x $ alla base 2 usando la formula del cambiamento di base:

$$ \log_4 x = \frac{\log_2 x}{\log_2 4} = \frac{\log_2 x}{2} $$

Sostituiamo nell'equazione:

$$ \log_2 x + \frac{\log_2 x}{2} = 3 $$

Moltiplichiamo tutta l'equazione per 2 per eliminare la frazione:

$$ 2 \log_2 x + \log_2 x = 6 $$

$$ 3 \log_2 x = 6 $$

$$ \log_2 x = \frac{6}{3} $$

$$ \log_2 x = 2 $$

Trasformiamo in forma esponenziale:

$$ x = 2^2 $$

$$ x = 4 $$

3. Verifica: La soluzione $ x = 4 $ soddisfa la CE ($ 4 > 0 $). Quindi, la soluzione è $ x = 4 $.

Esercizi da Svolgere

  1. Risolvi $ \log_3 (x-5) = 2 $.
  2. Risolvi $ \ln (x+1) = \ln (2x - 3) $.
  3. Risolvi $ \log_5 (x^2 + 1) = \log_5 10 $.
  4. Risolvi $ \log_2 x + \log_2 (x-1) = 1 $.
  5. Risolvi $ (\log x)^2 - \log x - 2 = 0 $. (Base 10)
  6. Risolvi $ \log_4 x = \frac{3}{2} $.
  7. Risolvi $ \ln x + \ln 2 = \ln (x+3) $.
  8. Risolvi $ \log_2 (x+2) + \log_2 (x-2) = 5 $.
  9. Risolvi $ \log_{1/3} (2x-1) = -2 $.
  10. Risolvi $ \log_2 x - \log_8 x = 4 $.

Domande a Risposta Multipla

Domanda 1: Qual è la prima cosa da fare per risolvere un'equazione logaritmica?

a) Determinare le condizioni di esistenza degli argomenti.
b) Trasformare in forma esponenziale.
c) Sostituire con una variabile ausiliaria.
d) Uguagliare gli argomenti.

Domanda 2: Se $ \log_b (f(x)) = \log_b (g(x)) $, allora:

a) $ f(x) + g(x) = 0 $
b) $ f(x) / g(x) = 0 $
c) $ f(x) = g(x) $
d) $ f(x) \cdot g(x) = 1 $

Domanda 3: La condizione di esistenza per $ \log_3 (x-7) $ è:

a) $ x \ge 7 $
b) $ x > 7 $
c) $ x \neq 7 $
d) $ x < 7 $

Domanda 4: La soluzione dell'equazione $ \log_5 x = 2 $ è:

a) $ x = 25 $
b) $ x = 10 $
c) $ x = 2/5 $
d) $ x = \sqrt{5} $

Domanda 5: Se si pone $ t = \log x $ in un'equazione, quali sono i valori accettabili per $t$?

a) Solo $ t > 0 $
b) Solo $ t \ge 0 $
c) Solo $ t \le 0 $
d) Tutti i numeri reali ($ \mathbb{R} $)

Domanda 6: Quale delle seguenti equazioni non è logaritmica?

a) $ x^2 + 3x = 0 $
b) $ \log_2 (x+1) = 5 $
c) $ \ln x = \ln(2x) $
d) $ (\log x)^2 - 4 = 0 $

Domanda 7: La soluzione dell'equazione $ \ln x = 0 $ è:

a) $ x = e $
b) $ x = 1 $
c) $ x = 0 $
d) Nessuna soluzione

Domanda 8: Per risolvere $ \log_3 x + \log_9 x = 4 $, quale proprietà è utile?

a) Logaritmo di un prodotto
b) Logaritmo di una potenza
c) Cambiamento di base
d) Logaritmo di un quoziente

Domanda 9: Se dopo aver risolto un'equazione logaritmica trovi $ x = -2 $, e la CE era $ x > 0 $, allora:

a) $ -2 $ non è una soluzione valida.
b) $ -2 $ è una soluzione valida.
c) Devi rifare l'esercizio.
d) Significa che l'equazione non ha logaritmi.

Domanda 10: La soluzione di $ \log_2 (x^2) = 6 $ è:

a) $ x = 8 $
b) $ x = \pm 8 $
c) $ x = 3 $
d) $ x = 64 $