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Bachillerato

Ecuaciones exponenciales y logarítmicas

Resolver una ecuación significa encontrar todos los valores que hacen verdadera la igualdad. Si la incógnita está en un exponente o dentro de un logaritmo, primero miramos dónde aparece y qué valores admite. Después elegimos una transformación que conserve las soluciones, en vez de aplicar la misma receta a todas.

1. Identificamos la posición de la incógnita antes de elegir método

En 3x = 12 la incógnita está multiplicada por tres.

En 3^x = 12 está en el exponente: dividir entre tres no la despeja.

En log₃x = 2 es el argumento de un logaritmo.

La escritura decide qué operación inversa necesitamos.

Trabajaremos con exponenciales reales de base positiva y distinta de uno, y logaritmos reales con argumento positivo. Miramos además denominadores, raíces u otras restricciones si aparecen. Una solución debe tener sentido en todas las expresiones originales.

Tres posiciones diferentes

Compara 4x = 16, 4^x = 16 y log₄x = 2.

  1. Multiplicación

    4x = 16: dividir entre cuatro da x = 4.
  2. Exponente

    4^x = 16: 4² = 16 da x = 2.
  3. Argumento logarítmico

    log₄x = 2: x = 4² = 16.
Resultado

Las soluciones son 4, 2 y 16, respectivamente.

Lo comprobamos

Cambiar la posición de x cambia el problema.

Un valor imposible por el signo

Resuelve 5^x = −2 en ℝ.

  1. Base positiva

    5^x es positivo para todo x real.

  2. Lado derecho

    Es negativo.

  3. Conclusión

    No pueden ser iguales.

Resultado

No hay solución real.

Lo comprobamos

No se toma logaritmo real de −2 para fabricar una candidata.

2. Con la misma base válida, igualdad de potencias exige igualdad de exponentes

La exponencial de base b > 0, b ≠ 1, es inyectiva: dos entradas distintas no dan la misma salida.

Por eso b^u = b^v equivale a u = v.

Primero escribimos ambos lados con la misma base, si es posible.

No borramos una base en una suma de potencias, ni aplicamos esta equivalencia a base uno. También puede quedar una ecuación no lineal en los exponentes: hay que resolverla completamente después de la transformación.

Reescribir con una base común

Resuelve 9^(x−1) = 27.

  1. Base tres

    9 = 3² y 27 = 3³.
  2. Exponentes

    3^(2x−2) = 3³, luego 2x − 2 = 3.
  3. Despejamos

    2x = 5 y x = 5/2.
Resultado

x = 5/2.

Lo comprobamos

9^(3/2) = (√9)³ = 27.

El exponente contiene un cuadrado

Resuelve 2^(x²) = 16.

  1. Misma base

    16 = 2⁴.
  2. Inyectividad

    x² = 4.
  3. Todas las soluciones

    x = −2 o x = 2.
Resultado

x = ±2.

Lo comprobamos

Ambos cuadrados valen cuatro; la exponencial inyectiva no hace inyectiva a x².

3. Los logaritmos permiten despejar sin una potencia entera evidente

Para b^u = A con b > 0, b ≠ 1 y A > 0, podemos escribir u = log_bA.
Si usamos ln, el mismo paso queda u ln b = ln A.
Como ln b ≠ 0, dividimos entre él y obtenemos u = ln A/ln b.

Un resultado exacto puede contener logaritmos. No redondeamos antes de terminar el despeje ni sustituimos una aproximación por una igualdad exacta. Comprobar por potencias cercanas ayuda a situar la respuesta.

Un exponente no entero

Resuelve 2^(x+1) = 7.

  1. Logaritmo

    (x + 1)ln2 = ln7.
  2. Dividimos

    x + 1 = ln7/ln2.
  3. Despejamos

    x = ln7/ln2 − 1 ≈ 1,807.
Resultado

x = log₂7 − 1.

Lo comprobamos

Como cuatro es menor que siete y siete menor que ocho, x + 1 queda entre dos y tres.

Una exponencial natural

Resuelve e^(3x−1) = 5.

  1. Aplicamos ln

    3x − 1 = ln5.
  2. Sumamos uno

    3x = 1 + ln5.
  3. Dividimos

    x = (1 + ln5)/3.
Resultado

x = (1 + ln5)/3.

Lo comprobamos

Al sustituir, el exponente queda ln5 y e^(ln5) = 5.

4. En logaritmos anotamos cada argumento positivo antes de combinar

log_b(U(x)) requiere U(x) > 0, además de una base válida. Si aparecen dos logaritmos, los dos argumentos deben ser positivos por separado. El producto positivo no reemplaza esa condición: dos negativos también pueden tener producto positivo.

El dominio se conserva durante la cuenta. Las raíces de una ecuación transformada son candidatas hasta comprobar que pertenecen al dominio original. No aceptar una candidata no es una excepción arbitraria: el logaritmo de su argumento no estaba definido.

Dos restricciones

Establece el dominio de log₂(x − 2) + log₂(x + 4).

  1. Primer argumento

    x − 2 > 0: x > 2.
  2. Segundo

    x + 4 > 0: x > −4.
  3. A la vez

    La condición más exigente es x > 2.
Resultado

Dominio: (2; +∞).

Lo comprobamos

Exigir solo (x − 2)(x + 4) > 0 admitiría también x < −4, que no sirve.

Una candidata con argumento cero

Para log₃(x − 1), alguien propone x = 1 como solución de una transformación posterior.

  1. Sustituimos en el argumento

    1 − 1 = 0.
  2. Dominio real

    log₃0 no existe.

  3. Decisión

    La candidata se descarta para la ecuación original.

Resultado

x = 1 no puede ser solución de esa ecuación logarítmica.

Lo comprobamos

La comprobación del dominio se mantiene aunque la ecuación posterior tenga esa raíz.

5. Pasar a potencia elimina un logaritmo con una equivalencia

log_bU = c equivale a U = b^c con base válida.

La potencia del lado derecho es positiva, así que la igualdad implica el argumento positivo cuando U está definido. Aun así revisamos el resto de expresiones originales.

Si log_bU = log_bV y ambos argumentos son positivos, la inyectividad del logaritmo permite U = V. No se igualan argumentos de logaritmos con bases diferentes sin otra justificación.

Una ecuación lineal después de la inversa

Resuelve log₄(2x − 1) = 2.

  1. Dominio

    2x − 1 > 0: x > 1/2.
  2. Potencia equivalente

    2x − 1 = 4² = 16.
  3. Despejamos

    2x = 17; x = 17/2.
  4. Comprobamos

    2(17/2) − 1 = 16 > 0.
Resultado

x = 17/2.

Lo comprobamos

log₄16 = 2.

Igualar argumentos de la misma base

Resuelve log₂(x + 5) = log₂(3x − 1).

  1. Dominio

    x > −5 y x > 1/3: queda x > 1/3.
  2. Argumentos iguales

    x + 5 = 3x − 1.
  3. Despejamos

    6 = 2x; x = 3.
  4. Verificación

    Los dos argumentos valen ocho.

Resultado

x = 3.

Lo comprobamos

Ambos logaritmos valen tres y la candidata pertenece al dominio.

6. Combinar logaritmos puede crear candidatas fuera del dominio

Con argumentos positivos y misma base, una suma se convierte en el logaritmo de un producto; una resta, en el de un cociente. Después aplicamos la inyectividad o la definición. Conservamos las condiciones individuales que escribimos antes.

Por ejemplo, log₁₀(x − 2) + log₁₀x = log₁₀8 exige x > 2. El producto conduce a x(x − 2) = 8, una ecuación cuadrática que también admite una raíz negativa; esa raíz no pertenece a la ecuación logarítmica inicial.

Una raíz válida y otra que se descarta

Resuelve log₁₀(x − 2) + log₁₀x = log₁₀8.

  1. Dominio

    x > 2.
  2. Producto y argumentos

    x(x − 2) = 8.
  3. Factorizamos

    x² − 2x − 8 = (x − 4)(x + 2) = 0.
  4. Candidatas y filtro

    Cuatro y menos dos; solo cuatro supera dos.

Resultado

x = 4.

Lo comprobamos

Los argumentos son dos y cuatro; su producto ocho. Con −2 serían negativos.

Una resta de logaritmos

Resuelve log₂(x + 1) − log₂(x − 1) = 1.

  1. Dominio

    x > 1.
  2. Cociente

    (x + 1)/(x − 1) = 2¹ = 2.
  3. Despejamos

    x + 1 = 2x − 2, luego x = 3.
  4. Comprobación

    Cociente 4/2 = 2 y ambos argumentos positivos.
Resultado

x = 3.

Lo comprobamos

La resta de los logaritmos es log₂2 = 1.

7. Un cambio de variable conserva también el rango de la exponencial

Si aparecen 4^x y 2^x, usamos 4^x = (2^x)² y llamamos t = 2^x.

La ecuación se convierte en una cuadrática en t, pero t debe ser positivo. No toda raíz algebraica de la cuadrática corresponde a una entrada x real.

Después de filtrar t, resolvemos 2^x = t para cada valor positivo. Solo terminamos cuando hemos vuelto a x. El cambio puede producir ninguna, una o varias soluciones.

Una raíz negativa de la nueva variable

Resuelve 4^x − 3 · 2^x − 4 = 0.

  1. Sustitución

    t = 2^x > 0: t² − 3t − 4 = 0.
  2. Factorizamos

    (t − 4)(t + 1) = 0.
  3. Filtramos

    t = −1 no es posible; queda t = 4.
  4. Volvemos a x

    2^x = 4: x = 2.
Resultado

x = 2.

Lo comprobamos

16 − 3 · 4 − 4 = 0.

Dos valores positivos de la nueva variable

Resuelve 4^x − 7 · 2^x + 12 = 0.

  1. Nueva ecuación

    t² − 7t + 12 = (t − 3)(t − 4) = 0.
  2. Rango permitido

    Tres y cuatro son positivos.

  3. Volvemos

    2^x = 3 da x = log₂3; 2^x = 4 da x = 2.
Resultado

x = log₂3 o x = 2.

Lo comprobamos

Las dos raíces de t se han tratado; no se pierde la que no da un exponente entero.

8. Comprobamos candidatas y justificamos que no falte ninguna

Sustituimos cada candidata en la ecuación original, no solo en la última transformación. Verificamos argumentos, bases y denominadores. Redondear sirve para interpretar, pero conservamos una expresión exacta para comprobar.

Encontrar una candidata que funciona no demuestra que sea la única. La equivalencia de los pasos y la resolución completa de la ecuación final justifican el conjunto de soluciones. La inyectividad de una función exterior no impide que la expresión interior tenga varias entradas con el mismo valor.

Un logaritmo de un cuadrado

Resuelve log₂(x²) = 2.

  1. Dominio

    x² > 0: x ≠ 0.
  2. Potencia equivalente

    x² = 2² = 4.
  3. Raíces y comprobación

    x = −2 y x = 2; ambos dan argumento cuatro.
Resultado

x = ±2.

Lo comprobamos

Reemplazar log₂(x²) por 2 log₂x sin dominio habría perdido la solución negativa.

Unicidad en una ecuación básica

Resuelve 3^(x−2) = 1 y explica por qué es única.

  1. Misma base

    Uno es 3⁰.

  2. Inyectividad

    x − 2 = 0.
  3. Ecuación lineal

    x = 2, única solución de esa igualdad.
Resultado

x = 2.

Lo comprobamos

Al sustituir, 3⁰ = 1; no se han introducido pasos que pierdan o añadan valores.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Igualar bases

Resuelve 2^(x+1)=16.

  1. Base común

    16 = 2⁴.
  2. Inyectividad

    Como la base dos es positiva y distinta de uno, x + 1 = 4.

  3. Despejamos

    x = 3.
  4. Comprobamos

    2^(3+1) = 2⁴ = 16.
Resultado

x=3.

Lo comprobamos

2⁴=16.

EJEMPLO RESUELTO 2

Dominio logarítmico

Resuelve log₁₀(x−1)+log₁₀(x+1)=log₁₀8.

  1. Dominio original

    x − 1 > 0 y x + 1 > 0: queda x > 1.
  2. Unimos con la misma base

    log₁₀[(x − 1)(x + 1)] = log₁₀8.
  3. Inyectividad

    (x − 1)(x + 1) = 8, así que x² − 1 = 8.
  4. Candidatas

    x² = 9 da x = −3 y x = 3.
  5. Filtramos y comprobamos

    Solo tres cumple x > 1.

    Sus argumentos son dos y cuatro, positivos, y su producto es ocho.

Resultado

x=3.

Lo comprobamos

(3−1)(3+1)=8 y ambos argumentos son positivos.

Los símbolos que hemos usado

a
Base fija positiva distinta de uno en exponenciales o logaritmos.
a^u=a^v
Igualdad equivalente a u=v para una misma base válida.
logₐu=v
Igualdad equivalente a u=aᵛ, con u>0.
ln
Logaritmo natural, útil para cambio de base.
D
Dominio conjunto de todas las expresiones originales.
t=aˣ
Cambio de variable que exige t>0.
Candidato
Valor obtenido durante el despeje que debe revisarse en el dominio y la ecuación original.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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