\(已知:6^x = x^{18},求:x的值。\)

\[ \begin{align*} 6^x = x^{18} \\ (6^x)^{\frac{1}{x}} = (x^{18})^{\frac{1}{x}} \\ 6^{\frac{x}{x}} = x^{\frac{18}{x}} \\ 6 = x^{\frac{18}{x}} \\ 6^{\frac{1}{18}} = (x^{\frac{18}{x}})^{\frac{1}{18}} \\ 6^{\frac{1}{18}} = x^{\frac{1}{x}} \\ 6^{(\frac{1}{18} \cdot \frac{2}{2})} = x^{\frac{1}{x}} \\ (6^2)^{\frac{1}{36}} = x^{\frac{1}{x}} \\ 36^{\frac{1}{36}} = x^{\frac{1}{x}} \\ x = 36 \end{align*} \] \[ \text{错哪里了?} \]

要使用消指数法求解 \(6^x = x^{18}\),核心思路是通过变形让等式两边指数或底数可 “对齐”,利用指数函数单调性消去指数。以下是分步推导:

步骤 1:对等式变形,构造同结构形式

原方程:\(6^x = x^{18}\)

观察到 \(x^{18} = \left(x^2\right)^9\),或进一步调整为与左边 \(6^x\) 同指数形式。尝试将两边写成 “底数 ^ 指数” 且指数可关联的形式:

对 \(x^{18}\) 变形:\(x^{18} = \left(x^{\frac{18}{x}}\right)^x\)

因此原方程等价于:\(6^x = \left(x^{\frac{18}{x}}\right)^x\)

步骤 2:消去公共指数 x(\(x \neq 0\) 时)

由于 \(x > 0\)(若 \(x \leq 0\),\(x^{18}\) 虽有意义,但 \(6^x > 0\),且 \(x = 0\) 时两边不相等,可先假设 \(x > 0\)),根据指数函数单调性(若 \(a^m = b^m\) 且 \(m > 0\),则 \(a = b\),当 \(a,b > 0\) 时),两边同时开 x 次方(即消去指数 x),得:\(6 = x^{\frac{18}{x}}\)

步骤 3:再次变形,简化指数

令 \(t = \frac{18}{x}\)(即 \(x = \frac{18}{t}\)),代入上式得:\(6 = \left( \frac{18}{t} \right)^t\)

尝试整数解(因指数方程常隐含整数解):

  • 当 \(t = 3\) 时:\(\left( \frac{18}{3} \right)^3 = 6^3 = 216 \neq 6\)
  • 当 \(t = 2\) 时:\(\left( \frac{18}{2} \right)^2 = 9^2 = 81 \neq 6\)
  • 当 \(t = 1\) 时:\(\left( \frac{18}{1} \right)^1 = 18 \neq 6\)

换一种变形思路:回到 \(6 = x^{\frac{18}{x}}\),两边取自然对数消指数:\(\ln 6 = \frac{18}{x} \cdot \ln x\) 即:\(\frac{\ln x}{x} = \frac{\ln 6}{18}\)

步骤 4:利用函数单调性找解

构造函数 \(f(x) = \frac{\ln x}{x}\),分析其单调性:

  • 求导:\(f'(x) = \frac{1 – \ln x}{x^2}\)
  • 当 \(x = e\) 时,\(f'(x) = 0\),\(f(x)\) 在 \((0, e)\) 递增,在 \((e, +\infty)\) 递减。

观察特殊值:

  • \(f(6) = \frac{\ln 6}{6} = \frac{3\ln 6}{18}\)
  • \(f(36) = \frac{\ln 36}{36} = \frac{2\ln 6}{36} = \frac{\ln 6}{18}\)

因此,当 \(x = 36\) 时,\(\frac{\ln x}{x} = \frac{\ln 6}{18}\) 成立,代入原方程验证:

  • 左边:\(6^{36}\)
  • 右边:\(36^{18} = \left(6^2\right)^{18} = 6^{36}\)

两边相等,故 \(x = 36\) 是解。

步骤 5:验证边界情况

  • 若 \(x = 0\):左边 \(6^0 = 1\),右边 \(0^{18} = 0\),不相等,舍去。
  • 若 \(x < 0\):\(6^x > 0\),但 \(x^{18} = |x|^{18} > 0\),但代入原方程 \(6^x = x^{18}\),由于 x 为负时指数运算复杂且无整数解(验证 \(x = -1, -2\) 等均不成立),故无负解。

最终结论

唯一正解为 \(\boldsymbol{x = 36}\)。

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