Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №1

a^x = log_ax (1)

на полуоси х > 0 при 0 < a < 1. Именно, нас интересует вопрос о том, при каких a количество решений равно трем.

Если ψ(х) = а^х, то log_a х = ψ^-1(х), и наше уравнение (1) принимает вид ψ(х) = v^-1(х), что равносильно ψ(ψ(х)) = x или

(2)

Для удобства дальнейшего введем новую переменную t = х∙In а и функцию

Тогда

(3)

и уравнение (2) превращается в

(4)

Найдем количество решений данного уравнения. Для этого прежде всего исследуем функцию F(t).

Поскольку исходная функция ψ(х) определена на интервале х > 0 и 0 < а < 1, то In а < 0 и t = х In а < 0, т. е. функция F(t) определена на интервале t € (—оо,0).

Асимптотики в предельных точках: lim_t->-ooF(t) = 0–0, lim_t->0–0F(t) = —oo. Т. е. функция F имеет горизонтальную и вертикальную асимптоты.

Далее,

Рис. 1: График функции F(t)

Для нахождения экстремумов функции F рассмотрим функцию φ(t) = te^t и найдем корни уравнения φ(t) = 1/ln a. Видно, что на интервале t € (—оо,0) имеют место соотношения: lim_t->oo φ(t) = 0–0, φ(0) = 0. Далее, φ'(t) = e^t(t + 1), φ"(t) = e^t(t + 2) и вообще φ⁽ⁿ⁾(t) = e^t(t + n). Поэтому minimum функции φ находится в точке t_min — 1 и равен φ_min = — e^-1

Рис. 2: График функции φ(t) и определение положения точек t₁, и t₂.

Значит:

1) При 1/ln a <= — e^-1 <=> a >= e^-e экстремумов у функции F нет.

2) При а < е^-e функция F имеет один minimum в точке t₁, равный F_min = a^et1/t₁ и один maximum в точке t₂ > t₁, равный F_max = a^et2/t₂; при этом t₁ < = t_min= -1 и t₂ > t_min = -1.

Таким образом уравнение (4) имеет три решения только в случае 2) и лишь в том случае если

F_min > 1/ln a < F_max. (5)

При этом в случае 2) условие (5) является не только необходимым, но и достаточным для наличия у уравнения (4) трех решений. Точки t₁ и t₂ определяются условиями φ(t₁) = t₁e^t1 = φ(t₂) = t₂e^t2 = 1/ln a. Т. е. необходимое и достаточное условие наличия трех решений принимает вид

Левые части уравнений в условиях (6) не зависят от а, и потому эти уравнения имеют вид f(t) = g(a), в то время как неравенства (6) данным свойством не обладают (обе их части зависят от а), что неудобно. Выразим из первого уравнения e^t1= 1/t₁lna и подставим это в соответствующее неравенство. Тогда получим

Аналогично, F_max = e^1/t2/t2. Тогда условия (6) превращаются в

Вспоминая определение функции φ, перепишем условия в форме:

Данные условия удобны тем, что левые части их не зависят уже от а (т. к. функция φ не зависит от а) и имеют вид f(t) = g(а) (т. е. переменные t и а разделены).

Рис. 3: Графики функций φ(t) (красный) и φ(1/t) (синий) и определение точек t1 и t2 (зеленая прямая — на уровне 1/ln a).

Проверку условий (9) проведем в два этапа: сначала докажем выполнение усиленного варианта второго из условий (9), а затем увидим, что первое условие (9) следует отсюда уже автоматически.

Поскольку точки t₁ и t₂ определяются как точки пересечения графика функции φ(t) с горизонтальной прямой на высоте 1/ln a, функция φ(t) имеет единственный minimum в точке t_min = —1, то ясно, что t₁ < —1 < t₂.

Покажем, что Vt € (—1,0) φ(1/t) > φ(t). Для этого рассмотрим функцию ξ(t) = φ(t)/φ(1/t) = t²е^{t — 1/t}'. Ясно, что ξ(-1) = 1, а поскольку