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Capitolo 17: Equazioni esponenziali risolvibili mediante logaritmi

Nel Capitolo 13 abbiamo visto come risolvere equazioni esponenziali ricondotte a una base comune o tramite sostituzione. Tuttavia, non tutte le equazioni esponenziali possono essere risolte con questi metodi diretti, specialmente quando non è possibile esprimere entrambi i membri come potenze della stessa base (ad esempio, $ 2^x = 3 $).

In questi casi, i logaritmi diventano uno strumento indispensabile. L'idea chiave è applicare un logaritmo (solitamente il logaritmo naturale $\ln$ o il logaritmo in base 10 $\log$) a entrambi i membri dell'equazione. Questo ci permette di utilizzare la proprietà del logaritmo di una potenza ($ \log_a (x^n) = n \log_a x $) per "abbassare" l'esponente, trasformando l'equazione esponenziale in un'equazione algebrica più semplice da risolvere.

Metodo di Risoluzione

Per risolvere un'equazione esponenziale del tipo $ a^x = b $ (dove $a, b > 0$ e $a \neq 1$):

  1. Isolare il termine esponenziale: Assicurarsi che il termine contenente l'incognita nell'esponente sia isolato su un lato dell'equazione.
  2. Applicare il logaritmo a entrambi i membri: Si può scegliere di applicare qualsiasi logaritmo, ma i più comodi sono il logaritmo naturale ($\ln$) o il logaritmo in base 10 ($\log$).
  3. $$ \ln(a^x) = \ln(b) $$

    oppure

    $$ \log(a^x) = \log(b) $$

  4. Usare la proprietà del logaritmo di una potenza: "Abbassare" l'esponente.
  5. $$ x \ln a = \ln b $$

  6. Risolvere per l'incognita: Isolare $x$.
  7. $$ x = \frac{\ln b}{\ln a} $$

Questa soluzione è un valore esatto. Se richiesto, si può calcolare un'approssimazione numerica usando una calcolatrice.

Esercizi Guidati

Esercizio 1: Risolvi l'equazione $ 2^x = 7 $.

Soluzione: Non è possibile ricondurre 7 a una potenza di 2. Applichiamo il logaritmo naturale a entrambi i membri.

$$ \ln(2^x) = \ln(7) $$

Applichiamo la proprietà del logaritmo di una potenza:

$$ x \ln 2 = \ln 7 $$

Isoliamo $x$:

$$ x = \frac{\ln 7}{\ln 2} $$

Questa è la soluzione esatta. Numericamente, $ x \approx \frac{1.9459}{0.6931} \approx 2.807 $.

Esercizio 2: Risolvi l'equazione $ 5^{x+1} = 12 $.

Soluzione: Applichiamo il logaritmo (base 10, per esempio) a entrambi i membri.

$$ \log(5^{x+1}) = \log(12) $$

Applichiamo la proprietà del logaritmo di una potenza:

$$ (x+1) \log 5 = \log 12 $$

Dividiamo per $ \log 5 $:

$$ x+1 = \frac{\log 12}{\log 5} $$

Isoliamo $x$:

$$ x = \frac{\log 12}{\log 5} - 1 $$

Soluzione esatta. Numericamente, $ x \approx \frac{1.079}{0.699} - 1 \approx 1.544 - 1 = 0.544 $.

Esercizio 3: Risolvi l'equazione $ e^{2x-1} = 5 $.

Soluzione: Poiché la base è $e$, è conveniente usare il logaritmo naturale $\ln$ (ricorda che $ \ln e = 1 $).

$$ \ln(e^{2x-1}) = \ln(5) $$

Applichiamo la proprietà del logaritmo di una potenza:

$$ (2x-1) \ln e = \ln 5 $$

Poiché $ \ln e = 1 $:

$$ 2x-1 = \ln 5 $$

Isoliamo $x$:

$$ 2x = 1 + \ln 5 $$

$$ x = \frac{1 + \ln 5}{2} $$

Soluzione esatta. Numericamente, $ x \approx \frac{1 + 1.609}{2} \approx \frac{2.609}{2} \approx 1.305 $.

Esercizio 4: Risolvi l'equazione $ 3 \cdot 4^x = 18 $.

Soluzione: Per prima cosa, isoliamo il termine esponenziale dividendo per 3:

$$ 4^x = \frac{18}{3} $$

$$ 4^x = 6 $$

Ora applichiamo il logaritmo (naturale o in base 10) a entrambi i membri. Usiamo il logaritmo naturale.

$$ \ln(4^x) = \ln(6) $$

$$ x \ln 4 = \ln 6 $$

$$ x = \frac{\ln 6}{\ln 4} $$

Soluzione esatta. Numericamente, $ x \approx \frac{1.791}{1.386} \approx 1.292 $.

Esercizio 5: Risolvi l'equazione $ 2^{x+1} = 3^{2x} $.

Soluzione: Le basi sono diverse e non ricoducibili. Applichiamo il logaritmo naturale a entrambi i membri.

$$ \ln(2^{x+1}) = \ln(3^{2x}) $$

Applichiamo la proprietà del logaritmo di una potenza a entrambi i lati:

$$ (x+1) \ln 2 = (2x) \ln 3 $$

Distribuiamo i logaritmi:

$$ x \ln 2 + \ln 2 = 2x \ln 3 $$

Raggruppiamo i termini con $x$ su un lato:

$$ \ln 2 = 2x \ln 3 - x \ln 2 $$

Raccogliamo $x$:

$$ \ln 2 = x (2 \ln 3 - \ln 2) $$

Isoliamo $x$:

$$ x = \frac{\ln 2}{2 \ln 3 - \ln 2} $$

Soluzione esatta. Numericamente, $ x \approx \frac{0.693}{2(1.098) - 0.693} = \frac{0.693}{2.197 - 0.693} = \frac{0.693}{1.504} \approx 0.461 $.

Esercizi da Svolvere

  1. Risolvi $ 3^x = 10 $.
  2. Risolvi $ 7^{2x} = 20 $.
  3. Risolvi $ e^{x+2} = 8 $.
  4. Risolvi $ 2 \cdot 5^x = 30 $.
  5. Risolvi $ 4^{x-1} = 3^{x} $.
  6. Risolvi $ 10^{x^2} = 50 $.
  7. Risolvi $ 6^{3x+1} = 100 $.
  8. Risolvi $ 2^{2x-1} = 5^{x+2} $.
  9. Risolvi $ \frac{1}{2} e^{x} = 4 $.
  10. Risolvi $ (1.05)^x = 2 $. (Calcola un'approssimazione numerica con due decimali).

Domande a Risposta Multipla

Domanda 1: Per risolvere $ 3^x = 5 $, quale operazione è il primo passo appropriato?

a) Applicare il logaritmo a entrambi i membri.
b) Dividere 5 per 3.
c) Elevare 5 alla potenza di 1/3.
d) Riscrivere 5 come potenza di 3.

Domanda 2: Se $ \ln(A^x) = \ln(B) $, la prossima fase nella risoluzione è:

a) $ A^x = B $
b) $ x = A^B $
c) $ x \ln A = \ln B $
d) $ \ln A - \ln B = x $

Domanda 3: La soluzione esatta di $ e^x = 10 $ è:

a) $ x = \log_{10} e $
b) $ x = \ln 10 $
c) $ x = 10^e $
d) $ x = \frac{10}{e} $

Domanda 4: Per risolvere $ 2^{x+1} = 5 $, l'espressione per $x$ è:

a) $ \frac{\ln 5}{\ln 2} - 1 $
b) $ \frac{\ln 5}{\ln 2} + 1 $
c) $ \ln 5 - \ln 2 $
d) $ \frac{\ln 2}{\ln 5} - 1 $

Domanda 5: Se $ 4 \cdot 3^x = 24 $, quale delle seguenti è la forma corretta per il calcolo di $x$?

a) $ x = \log_3 20 $
b) $ x = \frac{\log 24}{\log 4} $
c) $ x = 6/3 $
d) $ x = \frac{\log 6}{\log 3} $

Domanda 6: Risolvi $ 10^{2x} = 7 $.

a) $ x = \frac{\log 7}{2} $
b) $ x = \log 7 - 2 $
c) $ x = \frac{7}{100} $
d) $ x = 2 \log 7 $

Domanda 7: L'equazione $ (0.8)^x = 0.5 $ ha una soluzione $x$ che sarà:

a) Negativa
b) Positiva
c) Zero
d) Indefinita

Domanda 8: Se $ \ln(x) = \frac{\ln 9}{\ln 3} $, allora $x$ è:

a) $ 9/3 $
b) $ \ln 3 $
c) $ e^2 $
d) $ 3 $

Domanda 9: Quale metodo NON è sempre utile per risolvere equazioni esponenziali?

a) Ricondurre a una base comune per potenze con basi diverse e non semplificabili.
b) Applicare i logaritmi.
c) Sostituzione di variabile per equazioni quadratiche in $a^x$.
d) Isolare il termine esponenziale.

Domanda 10: La soluzione di $ (1 + 0.05)^x = 3 $ è data da:

a) $ x = \frac{\log 1.05}{\log 3} $
b) $ x = \frac{\log 3}{\log 1.05} $
c) $ x = \log_{1.05} 3 $
d) Entrambe b) e c)