В центре внимания этой статьи – логарифм . Здесь мы дадим определение логарифма, покажем принятое обозначение, приведем примеры логарифмов, и скажем про натуральные и десятичные логарифмы. После этого рассмотрим основное логарифмическое тождество.
Навигация по странице.
Определение логарифма
Понятие логарифма возникает при решении задачи в известном смысле обратной , когда нужно найти показатель степени по известному значению степени и известному основанию.
Но хватит предисловий, пришло время ответить на вопрос «что такое логарифм»? Дадим соответствующее определение.
Определение.
Логарифм числа b по основанию a , где a>0 , a≠1 и b>0 – это показатель степени, в который нужно возвести число a , чтобы в результате получить b .
На этом этапе заметим, что произнесенное слово «логарифм» должно сразу вызывать два вытекающих вопроса: «какого числа» и «по какому основанию». Иными словами, просто логарифма как бы нет, а есть только логарифм числа по некоторому основанию.
Сразу введем обозначение логарифма : логарифм числа b по основанию a принято обозначать как log a b . Логарифм числа b по основанию e и логарифм по основанию 10 имеют свои специальные обозначения lnb и lgb соответственно, то есть, пишут не log e b , а lnb , и не log 10 b , а lgb .
Теперь можно привести : .
А записи 
не имеют смысла, так как в первой из них под знаком логарифма находится отрицательное число, во второй – отрицательное число в основании, а в третьей – и отрицательное число под знаком логарифма и единица в основании.
Теперь скажем о правилах чтения логарифмов . Запись log a b читается как «логарифм b по основанию a ». Например, log 2 3 - это логарифм трех по основанию 2 , а - это логарифм двух целых двух третьих по основанию квадратный корень из пяти. Логарифм по основанию e называют натуральным логарифмом , а запись lnb читается как «натуральный логарифм b ». К примеру, ln7 – это натуральный логарифм семи, а мы прочитаем как натуральный логарифм пи. Логарифм по основанию 10 также имеет специальное название – десятичный логарифм , а запись lgb читается как «десятичный логарифм b ». Например, lg1 - это десятичный логарифм единицы, а lg2,75 - десятичный логарифм двух целых семидесяти пяти сотых.
Стоит отдельно остановиться на условиях a>0 , a≠1 и b>0 , при которых дается определение логарифма. Поясним, откуда берутся эти ограничения. Сделать это нам поможет равенство вида , называемое , которое напрямую следует из данного выше определения логарифма.
Начнем с a≠1 . Так как единица в любой степени равна единице, то равенство может быть справедливо лишь при b=1 , но при этом log 1 1 может быть любым действительным числом. Чтобы избежать этой многозначности и принимается a≠1 .
Обоснуем целесообразность условия a>0 . При a=0 по определению логарифма мы бы имели равенство , которое возможно лишь при b=0 . Но тогда log 0 0 может быть любым отличным от нуля действительным числом, так как нуль в любой отличной от нуля степени есть нуль. Избежать этой многозначности позволяет условие a≠0 . А при a<0 нам бы пришлось отказаться от рассмотрения рациональных и иррациональных значений логарифма, так как степень с рациональным и иррациональным показателем определена лишь для неотрицательных оснований. Поэтому и принимается условие a>0 .
Наконец, условие b>0 следует из неравенства a>0 , так как , а значение степени с положительным основанием a всегда положительно.
В заключение этого пункта скажем, что озвученное определение логарифма позволяет сразу указать значение логарифма, когда число под знаком логарифма есть некоторая степень основания. Действительно, определение логарифма позволяет утверждать, что если b=a p , то логарифм числа b по основанию a равен p . То есть, справедливо равенство log a a p =p . Например, мы знаем, что 2 3 =8 , тогда log 2 8=3 . Подробнее об этом мы поговорим в статье
Начнем со свойства логарифма единицы . Его формулировка такова: логарифм единицы равен нулю, то есть, log a 1=0 для любого a>0 , a≠1 . Доказательство не вызывает сложностей: так как a 0 =1 для любого a , удовлетворяющего указанным выше условиям a>0 и a≠1 , то доказываемое равенство log a 1=0 сразу следует из определения логарифма.
Приведем примеры применения рассмотренного свойства: log 3 1=0 , lg1=0 и .
Переходим к следующему свойству: логарифм числа, равного основанию, равен единице , то есть, log a a=1 при a>0 , a≠1 . Действительно, так как a 1 =a для любого a , то по определению логарифма log a a=1 .
Примерами использования этого свойства логарифмов являются равенства log 5 5=1 , log 5,6 5,6 и lne=1 .
К примеру, log 2 2 7 =7
, lg10 -4 =-4
и 
.
Логарифм произведения двух положительных чисел x и y равен произведению логарифмов этих чисел: log a (x·y)=log a x+log a y , a>0 , a≠1 . Докажем свойство логарифма произведения. В силу свойств степени a log a x+log a y =a log a x ·a log a y , а так как по основному логарифмическому тождеству a log a x =x и a log a y =y , то a log a x ·a log a y =x·y . Таким образом, a log a x+log a y =x·y , откуда по определению логарифма вытекает доказываемое равенство.
Покажем примеры использования свойства логарифма произведения: log 5 (2·3)=log 5 2+log 5 3
и 
.
Свойство логарифма произведения можно обобщить на произведение конечного числа n положительных чисел x 1 , x 2 , …, x n как log a (x 1 ·x 2 ·…·x n)= log a x 1 +log a x 2 +…+log a x n . Данное равенство без проблем доказывается .
Например, натуральных логарифм произведения можно заменить суммой трех натуральных логарифмов чисел 4 , e , и .
Логарифм частного двух положительных чисел
x
и y
равен разности логарифмов этих чисел. Свойству логарифма частного соответствует формула вида , где a>0
, a≠1
, x
и y
– некоторые положительные числа. Справедливость этой формулы доказывается как и формула логарифма произведения: так как 
, то по определению логарифма .
Приведем пример использования этого свойства логарифма: 
.
Переходим к свойству логарифма степени . Логарифм степени равен произведению показателя степени на логарифм модуля основания этой степени. Запишем это свойство логарифма степени в виде формулы: log a b p =p·log a |b| , где a>0 , a≠1 , b и p такие числа, что степень b p имеет смысл и b p >0 .
Сначала докажем это свойство для положительных b . Основное логарифмическое тождество позволяет нам представить число b как a log a b , тогда b p =(a log a b) p , а полученное выражение в силу свойство степени равно a p·log a b . Так мы приходим к равенству b p =a p·log a b , из которого по определению логарифма заключаем, что log a b p =p·log a b .
Осталось доказать это свойство для отрицательных b . Здесь замечаем, что выражение log a b p при отрицательных b имеет смысл лишь при четных показателях степени p (так как значение степени b p должно быть больше нуля, в противном случае логарифм не будет иметь смысла), а в этом случае b p =|b| p . Тогда b p =|b| p =(a log a |b|) p =a p·log a |b| , откуда log a b p =p·log a |b| .
Например, 
и ln(-3) 4 =4·ln|-3|=4·ln3
.
Из предыдущего свойства вытекает свойство логарифма из корня
: логарифм корня n
-ой степени равен произведению дроби 1/n
на логарифм подкоренного выражения, то есть, 
, где a>0
, a≠1
, n
– натуральное число, большее единицы, b>0
.
Доказательство базируется на равенстве (смотрите ), которое справедливо для любых положительных b
, и свойстве логарифма степени: 
.
Вот пример использования этого свойства: 
.
Теперь докажем формулу перехода к новому основанию логарифма
вида 
. Для этого достаточно доказать справедливость равенства log c b=log a b·log c a
. Основное логарифмическое тождество позволяет нам число b
представить как a log a b
, тогда log c b=log c a log a b
. Осталось воспользоваться свойством логарифма степени: log c a log a b =log a b·log c a
. Так доказано равенство log c b=log a b·log c a
, а значит, доказана и формула перехода к новому основанию логарифма .
Покажем пару примеров применения этого свойства логарифмов: и 
.
Формула перехода к новому основанию позволяет переходить к работе с логарифмами, имеющими «удобное» основание. Например, с ее помощью можно перейти к натуральным или десятичным логарифмам, чтобы можно было вычислить значение логарифма по таблице логарифмов . Формула перехода к новому основанию логарифма также позволяет в некоторых случаях находить значение данного логарифма, когда известны значения некоторых логарифмов с другими основаниями.
Часто используется частный случай формулы перехода к новому основанию логарифма при c=b
вида 
. Отсюда видно, что log a b
и log b a
– . К примеру, 
.
Также часто используется формула 
, которая удобна при нахождении значений логарифмов. Для подтверждения своих слов покажем, как с ее помощью вычисляется значение логарифма вида . Имеем 
. Для доказательства формулы 
достаточно воспользоваться формулой перехода к новому основанию логарифма a
: 
.
Осталось доказать свойства сравнения логарифмов.
Докажем, что для любых положительных чисел b 1
и b 2
, b 1 log a b 2
, а при a>1
– неравенство log a b 1 Наконец, осталось доказать последнее из перечисленных свойств логарифмов. Ограничимся доказательством его первой части, то есть, докажем, что если a 1 >1
, a 2 >1
и a 1 1
справедливо log a 1 b>log a 2 b
. Остальные утверждения этого свойства логарифмов доказываются по аналогичному принципу. Воспользуемся методом от противного. Предположим, что при a 1 >1
, a 2 >1
и a 1 1
справедливо log a 1 b≤log a 2 b
. По свойствам логарифмов эти неравенства можно переписать как 
и 
соответственно, а из них следует, что log b a 1 ≤log b a 2
и log b a 1 ≥log b a 2
соответственно. Тогда по свойствам степеней с одинаковыми основаниями должны выполняться равенства b log b a 1 ≥b log b a 2
и b log b a 1 ≥b log b a 2
, то есть, a 1 ≥a 2
. Так мы пришли к противоречию условию a 1
Список литературы.
- Колмогоров А.Н., Абрамов А.М., Дудницын Ю.П. и др. Алгебра и начала анализа: Учебник для 10 - 11 классов общеобразовательных учреждений.
- Гусев В.А., Мордкович А.Г. Математика (пособие для поступающих в техникумы).
Логарифмом положительного числа b по основанию a (a>0, a не равно 1) называют такое число с, что a c = b: log a b = c ⇔ a c = b (a > 0, a ≠ 1, b > 0)
Обратите внимание: логарифм от неположительного числа не определен. Кроме того, в основании логарифма должно быть положительное число, не равное 1. Например, если мы возведем -2 в квадрат, получим число 4, но это не означает, что логарифм по основанию -2 от 4 равен 2.
Основное логарифмическое тождество
a log a b = b (a > 0, a ≠ 1) (2)Важно, что области определения правой и левой частей этой формулы отличаются. Левая часть определена только при b>0, a>0 и a ≠ 1. Правая часть определена при любом b, а от a вообще не зависит. Таким образом, применение основного логарифмического "тождества" при решении уравнений и неравенств может привести к изменению ОДЗ.
Два очевидных следствия определения логарифма
log a a = 1 (a > 0, a ≠ 1) (3)log a 1 = 0 (a > 0, a ≠ 1) (4)
Действительно, при возведении числа a в первую степень мы получим то же самое число, а при возведении в нулевую степень - единицу.
Логарифм произведения и логарифм частного
log a (b c) = log a b + log a c (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0) (5)Log
a
b
c
=
log
a
b −
log
a
c
(a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0)
(6)
Хотелось бы предостеречь школьников от бездумного применения данных формул при решении логарифмических уравнений и неравенств. При их использовании "слева направо" происходит сужение ОДЗ, а при переходе от суммы или разности логарифмов к логарифму произведения или частного - расширение ОДЗ.
Действительно, выражение log a (f (x) g (x)) определено в двух случаях: когда обе функции строго положительны либо когда f(x) и g(x) обе меньше нуля.
Преобразуя данное выражение в сумму log a f (x) + log a g (x) , мы вынуждены ограничиваться только случаем, когда f(x)>0 и g(x)>0. Налицо сужение области допустимых значений, а это категорически недопустимо, т. к. может привести к потере решений. Аналогичная проблема существует и для формулы (6).
Степень можно выносить за знак логарифма
log a b p = p log a b (a > 0, a ≠ 1, b > 0) (7)И вновь хотелось бы призвать к аккуратности. Рассмотрим следующий пример:
Log a (f (x) 2 = 2 log a f (x)
Левая часть равенства определена, очевидно, при всех значениях f(х), кроме нуля. Правая часть - только при f(x)>0! Вынося степень из логарифма, мы вновь сужаем ОДЗ. Обратная процедура приводит к расширению области допустимых значений. Все эти замечания относятся не только к степени 2, но и к любой четной степени.
Формула перехода к новому основанию
log a b = log c b log c a (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0, c ≠ 1) (8)Тот редкий случай, когда ОДЗ не изменяется при преобразовании. Если вы разумно выбрали основание с (положительное и не равное 1), формула перехода к новому основанию является абсолютно безопасной.
Если в качестве нового основания с выбрать число b, получим важный частный случай формулы (8):
Log a b = 1 log b a (a > 0, a ≠ 1, b > 0, b ≠ 1) (9)
Несколько простых примеров с логарифмами
Пример 1. Вычислите: lg2 + lg50.
Решение. lg2 + lg50 = lg100 = 2. Мы воспользовались формулой суммы логарифмов (5) и определением десятичного логарифма.
Пример 2. Вычислите: lg125/lg5.
Решение. lg125/lg5 = log 5 125 = 3. Мы использовали формулу перехода к новому основанию (8).
Таблица формул, связанных с логарифмами
| a log a b = b (a > 0, a ≠ 1) |
| log a a = 1 (a > 0, a ≠ 1) |
| log a 1 = 0 (a > 0, a ≠ 1) |
| log a (b c) = log a b + log a c (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0) |
| log a b c = log a b − log a c (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0) |
| log a b p = p log a b (a > 0, a ≠ 1, b > 0) |
| log a b = log c b log c a (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0, c ≠ 1) |
| log a b = 1 log b a (a > 0, a ≠ 1, b > 0, b ≠ 1) |
Логарифмом числа N по основаниюа называется показатель степених , в которую нужно возвестиа , чтобы получить числоN
При условии, что
,
,
Из определения логарифма
следует, что
,
т.е.
- это равенство является основным
логарифмическим тождеством.
Логарифмы по основанию 10
называются десятичными логарифмами.
Вместо
пишут
.
Логарифмы по основанию e
называются натуральными и обозначаются
.
Основные свойства логарифмов.
Логарифм единицы при любом основании равен нулю
Логарифм произведения равен сумме логарифмов сомножителей.
3) Логарифм частного равен разности логарифмов
Множитель
называется модулем перехода от логарифмов
при основанииa
к логарифмам при основанииb
.
С помощью свойств 2-5 часто удается свести логарифм сложного выражения к результату простых арифметических действий над логарифмами.
Например,
Такие преобразования логарифма называются логарифмированием. Преобразования обратные логарифмированию называются потенцированием.
Глава 2. Элементы высшей математики.
1. Пределы
Пределом функции
является конечное число А, если при
стремлении xx
0
для каждого наперед заданного
,
найдется такое число
,
что как только
,
то
.
Функция, имеющая предел, отличается от
него на бесконечно малую величину:
,
где- б.м.в., т.е.
.
Пример. Рассмотрим функцию
.
При стремлении
,
функцияy
стремится к нулю:
1.1. Основные теоремы о пределах.
Предел постоянной величины равен этой постоянной величине
.
Предел суммы (разности) конечного числа функций равен сумме (разности) пределов этих функций.
Предел произведения конечного числа функций равен произведению пределов этих функций.
Предел частного двух функций равен частному пределов этих функций, если предел знаменателя не равен нулю.
Замечательные пределы
,
,
где
1.2. Примеры вычисления пределов
Однако, не все пределы вычисляются так
просто. Чаще вычисление предела сводится
к раскрытию неопределенности типа:
или
.
.
2. Производная функции
Пусть мы имеем функцию
,
непрерывную на отрезке
.
Аргумент
получил некоторое приращение
.
Тогда и функция получит приращение
.
Значению аргумента
соответствует значение функции
.
Значению аргумента
соответствует значение функции
.
Следовательно, .
Найдем предел этого отношения при
.
Если этот предел существует, то он
называется производной данной функции.
Определение 3Производной данной функции
по
аргументу
называется предел отношения приращения
функции к приращению аргумента, когда
приращение аргумента произвольным
образом стремится к нулю.
Производная функции
может быть обозначена следующим образом:
;
;
;
.
Определение 4Операция нахождения производной от функции называетсядифференцированием.
2.1. Механический смысл производной.
Рассмотрим прямолинейное движение некоторого твердого тела или материальной точки.
Пусть в некоторый момент времени
движущаяся
точка
находилась на расстоянии
от начального положения
.
Через некоторый
промежуток времени
она переместилась на расстояние
.
Отношение
=
- средняя скорость материальной точки
.
Найдем предел этого отношения, учитывая
что
.
Следовательно, определение мгновенной скорости движения материальной точки сводится к нахождению производной от пути по времени.
2.2. Геометрическое значение производной
Пусть у нас
есть графически заданная некоторая
функция
.
Рис. 1. Геометрический смысл производной
Если
,
то точка
,
будет перемещаться по кривой, приближаясь
к точке
.
Следовательно
,
т.е. значение производной при данном
значении аргумента
численно равняется тангенсу угла
образованного касательной в данной
точке с положительным направлением оси
.
2.3. Таблица основных формул дифференцирования.
Степенная функция
|
|
|
|
|
|
|
Показательная функция
|
|
|
|
|
Логарифмическая функция
|
|
|
|
|
Тригонометрическая функция
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обратная тригонометрическая функция
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.4. Правила дифференцирования.
Производная от
Производная суммы (разности) функций
Производная произведения двух функций
Производная частного двух функций
2.5. Производная от сложной функции.
Пусть дана функция
такая, что ее можно представить в виде
и
,
где переменная
является промежуточным аргументом,
тогда
Производная сложной функции равна произведению производной данной функции по промежуточному аргументу на производную промежуточного аргумента по x.
Пример1.
Пример2.
3. Дифференциал функции.
Пусть есть
,
дифференцируемая на некотором отрезке
и пустьу
этой функции есть производная
,
тогда можно записать
(1),
где
- бесконечно малая величина,
так как при
Умножая все члены равенства (1) на
имеем:
Где
-
б.м.в. высшего порядка.
Величина
называется дифференциалом функции
и обозначается
.
3.1. Геометрическое значение дифференциала.
Пусть дана функция
.
Рис.2. Геометрический смысл дифференциала.
.
Очевидно, что дифференциал функции
равен приращению ординаты касательной
в данной точке.
3.2. Производные и дифференциалы различных порядков.
Если есть
,
тогда
называется первой производной.
Производная от первой производной
называется производной второго порядка
и записывается
.
Производной n-го порядка
от функции
называется производная (n-1)-го
порядка и записывается:
.
Дифференциал от дифференциала функции называется вторым дифференциалом или дифференциалом второго порядка.
.
.
3.3 Решение биологических задач с применением дифференцирования.
Задача1.
Исследования показали, что рост колонии
микроорганизмов подчиняется закону
,
гдеN
– численность микроорганизмов (в тыс.),t
–время (дни).
б) Будет ли в этот период численность колонии увеличиваться или уменьшаться?
Ответ. Численность колонии будет увеличиваться.
Задача 2. Вода в озере периодически тестируется для контроля содержания болезнетворных бактерий. Черезt дней после тестирования концентрация бактерий определяется соотношением
.
Когда в озере наступит минимальная концентрация бактерий и можно будет в нем купаться?
РешениеФункция достигает max или min, когда ее производная равна нулю.
,
Определим max или min будет через 6 дней. Для этого возьмем вторую производную.
Ответ: Через 6 дней будет минимальная концентрация бактерий.
1.1. Определение степени для целого показателя степени
X 1 = XX 2 = X * X
X 3 = X * X * X
…
X N = X * X * … * X — N раз
1.2. Нулевая степень.
По определению принято считать, что нулевая степень любого числа равна 1:1.3. Отрицательная степень.
X -N = 1/X N1.4. Дробная степень, корень.
X 1/N = корень степени N из Х.Например: X 1/2 = √X.
1.5. Формула сложения степеней.
X (N+M) = X N *X M1.6.Формула вычитания степеней.
X (N-M) = X N /X M1.7. Формула умножения степеней.
X N*M = (X N) M1.8. Формула возведения дроби в степень.
(X/Y) N = X N /Y N2. Число e.
Значение числа e равно следующему пределу:E = lim(1+1/N), при N → ∞.
С точностью 17 знаков число e равно 2.71828182845904512.
3. Равенство Эйлера.
Это равенство связывает пять чисел, играющих особую роль в математике: 0, 1, число e, число пи, мнимую единицу.E (i*пи) + 1 = 0
4. Экспоненциальная функция exp (x)
exp(x) = e x5. Производная экспоненциальной функции
Экспоненциальная функция обладает замечательным свойством: производная функции равна самой экспоненциальной функции:(exp(x))" = exp(x)
6. Логарифм.
6.1. Определение функции логарифм
Если x = b y , то логарифмом называется функцияY = Log b (x).
Логарифм показывает в какую степень надо возвести число - основание логарифма (b), чтобы получить заданное число (X). Функция логарифм определена для X больше нуля.
Например: Log 10 (100) = 2.
6.2. Десятичный логарифм
Это логарифм по основанию 10:Y = Log 10 (x) .
Обозначается Log(x): Log(x) = Log 10 (x).
Пример использования десятичного логарифма — децибел .
6.3. Децибел
Пункт выделен в отдельную страницу Децибел6.4. Двоичный логарифм
Это логарифм по основанию 2:Y = Log 2 (x).
Обозначается Lg(x): Lg(x) = Log 2 (X)
6.5. Натуральный логарифм
Это логарифм по основанию e:Y = Log e (x) .
Обозначается Ln(x): Ln(x) = Log e (X)
Натуральный логарифм — обратная функция к экспоненциальной функции exp (X).
6.6. Характерные точки
Log a (1) = 0Log a (a) = 1
6.7. Формула логарифма произведения
Log a (x*y) = Log a (x)+Log a (y)6.8. Формула логарифма частного
Log a (x/y) = Log a (x)-Log a (y)6.9. Формула логарифма степени
Log a (x y) = y*Log a (x)6.10. Формула преобразования к логарифму с другим основанием
Log b (x) = (Log a (x))/Log a (b)Пример:
Log 2 (8) = Log 10 (8)/Log 10 (2) =
0.903089986991943552 / 0.301029995663981184 = 3
7. Формулы полезные в жизни
Часто возникают задачи пересчета объема в площадь или в длину и обратная задача -- пересчет площади в объем. Например, доски продаются кубами (кубометрами), а нам требуется рассчитать какую площадь стены можно обшить досками содержащимися в определенном объеме, см. расчет досок, сколько досок в кубе . Или, известны размеры стены, надо рассчитать число кирпичей, см. расчет кирпича .
Разрешается использовать материалы сайта при условии установки активной ссылки на источник.
