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対数不等式は定義域と重ねて答える|高校数学の指数・対数関数

の解は です。 だけでは足りません。

不等式を解いて出る範囲と、対数が書ける範囲。この 2 つの重なりが答えになります[3]

方程式なら、出た値を範囲と照らして残すだけで済みました。不等式では範囲どうしを重ねる作業になる。

もう 1 つ、方程式にはなかった分かれ道があります。底が より小さいと不等号の向きが入れかわる。

向きは底で決まる

のとき

なら 。向きはそのまま真数へ移る

のとき

なら 。向きが入れかわる

底が より大きい対数関数は増える一方なので、値の順序が真数の順序とそろいます[1]

底が より小さいと減る一方になり、順序が逆に写る。グラフの向きがそのまま規則になっています。

定義域は解く前に書く

では、 から が最初に決まります。

そのうえで と書き直す。底が より大きいため向きはそのままで、 から

重ねて です。 を最初の式に入れると になり、式として成り立ちません。

定義域を書き忘れると、左端が閉じないまま答えになります。図の 1 段目を使わなかった状態です。

例:底が より小さいとき

を解きます。定義域は から

右辺を同じ底の対数に直します。 なので です。

底が より小さいので向きが入れかわり、 から 。定義域と重ねて になります。

底を に直しても答えは同じ。 なので、、両辺を 倍して

不等号を裏返す場面が、対数のところか数の計算のところかに移るだけです。どちらか一方でだけ裏返す。

例:両辺が対数

を解きます。定義域は かつ

前者から 、後者から なので、重ねて です。

より大きいから向きはそのまま。 から

定義域 と重ねると が答えです。今回は定義域のほうが広く、結果に効きませんでした。

効かない場合もありますが、書かずに済ませるわけにはいきません。効くかどうかは重ねてみるまで分からないためです。

例:置きかえて二次不等式にする

を解きます。定義域は です。

と置くと から または [1]

を戻します。 から から

定義域 と重ねて、答えは または です。

戻すときも底の向きが効きます。もし底が なら になる。

例:法則でまとめる形

を解きます。定義域は かつ で、

積の法則でまとめると 、つまり です。

から となり

定義域と重ねて が答えになります。まとめる操作でも範囲が広がるので、定義域が効いています。

方程式のときと同じ場所です。 が使えるのは かつ のときだけ[2]

例:定義域が 2 つに割れる

を解きます。真数が二次式なので、定義域が 1 本の区間になりません。

から または 。この時点で数直線が 2 つに分かれます。

不等式のほうは で、底が より大きいから から です。

重ねると または はおよそ なので、幅の狭い区間が左右に 1 つずつ残ります。

定義域を書き落とすと、答えが という 1 つの区間になってしまいます。真ん中の では対数そのものが書けません。

グラフで確かめる

を図で見ると、 が横線 より下にある範囲を探す作業になります。

交点は 。左へ行くほど値が下がるので、 の側が条件を満たす。

ただし曲線が引かれているのは から先だけです。左端は で切れており、その手前には何もありません。

図の上では定義域を忘れる余地がない。描かれていないところは、選びようがないためです。

式だけで進めると、この「描かれていない部分」が見えなくなる。定義域を先に書く手続きは、それを文字で押さえておく作業にあたります。

例:底に文字があるとき

を、 の値で分けて解きます。定義域は です。

なので、比べる相手は 。ここから底の位置で 2 通りに分かれます。

のときは向きがそのままで 、つまり 。定義域は自動的に満たされます。

のときは向きが入れかわって 。定義域 と重ねて

答えの形そのものが変わる。底に文字が入る問題では、場合分けがそのまま解答の組み立てになります。

の解はどれですか。

__RESULT__

定義域は から です。 で底が より小さいため向きが入れかわり、 から 。重ねて になります。

の解はどれですか。

__RESULT__

定義域は です。まとめて から より 。定義域と重ねて が残ります。

定義域を書く、底で向きを決める、最後に重ねる。対数不等式は、この 3 つの順序で進みます。

参考

Logarithmic Equations and Inequalities/06%3A_Exponential_and_Logarithmic_Functions/6.04%3A_Logarithmic_Equations_and_Inequalities). Stitz C, Zeager J. Precalculus, Mathematics LibreTexts.
Rechnen mit Logarithmus. Serlo Education.
Graphs of Logarithmic Functions. College Algebra 2e, OpenStax.
$\log_{2}(x+1) < 3$ の答えは $x < 7$ ではなく $-1 < x < 7$ です。不等式を解いて出る範囲と、対数が書ける範囲。この 2 本の帯が重なったところだけが残ります。方程式なら出た値を照らすだけで済みましたが、不等式では範囲どうしを重ねる作業になる。もう 1 つの分かれ道が底の位置で、$1$ より小さいと不等号が入れかわります。真数が二次式で定義域が 2 区間に割れる形、置きかえて戻すときにも向きが効くこと、底に文字が入って場合分けが解答の骨組みになる形まで。