Logarytm

Logarytmy lub logi są częścią matematyki. Są one związane z funkcjami wykładniczymi. Logarytm mówi, jaki wykładnik (lub moc) jest potrzebny do wykonania pewnej liczby, więc logarytmy są odwrotnością (przeciwieństwem) funkcji wykładniczej. Z historycznego punktu widzenia, były one użyteczne przy mnożeniu lub dzieleniu dużych liczb.

Przykładem logarytmu jest logarytm 2 ( 8 ) = 3 {\i1}log _{2}(8)=3\i0} $\log _{2}(8)=3\$ . W tym logarytmie podstawą jest 2, argumentem jest 8, a odpowiedzią jest 3.

Najczęściej spotykanymi typami logarytmów są logarytmy zwykłe, gdzie podstawa wynosi 10, oraz logarytmy naturalne, gdzie podstawą jest e ≈ 2.71828.

Otwarta skorupa paznokcia. Jej komory tworzą logarytmiczną spiralę

Historia

Logarytmy po raz pierwszy zostały użyte w Indiach w II wieku przed naszą erą. Pierwszym, który zastosował logarytmy w czasach nowożytnych, był niemiecki matematyk Michael Stifel (około 1487-1567). W 1544 roku zapisał on następujące równania: q m q n = q m + n {\i1}displaystyle q^{m}q^{n}=q^{m+n}} $q^{m}q^{n}=q^{m+n}$ oraz q m q n = q m - n {\i1}displaystyle {\i0}{\i1}{\i1}{\i1}=q^{m-n}}} To ${\tfrac {q^{m}}{q^{n}}}=q^{m-n}$ jest podstawa do zrozumienia logarytmów. Dla Stifela, m {\i1}i n {\i1} musiały być liczbami całkowitymi. John Napier (1550-1617) nie chciał tego ograniczenia, a chciał zakres dla wykładowców.

Zgodnie z Napierem, logarytmy mają ten sam stosunek do b $b$ , jak c $c$ do d, $d$ jeśli różnica w ich logarytmach jest taka sama. Matematycznie: log ( a ) - log ( b ) = log ( c ) - log ( d ) {\i1} log(a)-log(b)= log(c)-log(d)} $\log(a)-\log(b)=\log(c)-\log(d)$ . Na początku użyto bazy e (nawet jeśli numer nie został jeszcze nazwany). Henry Briggs zaproponował użycie 10 jako bazy dla logarytmów, takie logarytmy są bardzo przydatne w astronomii.

John Napier pracował nad logarytmami

Związek z funkcjami wykładniczymi

Logarytm mówi, jaki wykładnik (lub moc) jest potrzebny do wykonania pewnej liczby, więc logarytmy są odwrotnością (przeciwieństwem) wykładania.

Tak jak funkcja wykładnicza ma trzy części, tak logarytm ma trzy części. Trzy części logarytmu to podstawa, argument i odpowiedź (zwana również potęgą).

To jest funkcja wykładnicza:

2 3 = 8 {\i1}Displastyla 2^{3}=8} $2^{3}=8\$

W tej funkcji podstawą jest 2, argumentem 3, a odpowiedzią 8.

Ta funkcja wykładnicza ma odwrotność, jej logarytm:

log 2 ( 8 ) = 3 {\i1}log _{2}(8)=3} $\log _{2}(8)=3\$

W tym logarytmie podstawą jest 2, argumentem 8, a odpowiedzią 3.

Różnica w stosunku do korzeni

Dodatek ma jedną odwrotną operację: odejmowanie. Również, mnożenie ma jedną odwrotną operację: podział. Dlatego też, może być trudno zrozumieć, dlaczego wykładanie ma w rzeczywistości dwie odwrotne operacje: Po co nam logarytm, skoro istnieje już korzeń? Dzieje się tak, ponieważ wykładanie nie jest komutatywne.

Ilustruje to poniższy przykład:

Jeśli masz x+2=3, to możesz użyć odejmowania, aby dowiedzieć się, że x=3-2. Tak samo jest, jeśli masz 2+x=3: Otrzymujesz również x=3-2. To dlatego, że x+2 jest takie samo jak 2+x.
Jeżeli masz x - 2=3, to możesz użyć podziału, aby dowiedzieć się, że x= 3 2 {\i1} {\i1}frac {\i1}{2} ${\textstyle {\frac {3}{2}}}$ . To jest to samo, jeżeli masz 2 - x=3: Dostajesz też x= 3 2 {\i1}{\i1}{\i1} ${\textstyle {\frac {3}{2}}}$ . To dlatego, że x - 2 jest takie samo jak 2 - x.
Jeśli masz x²=3, to użyj (kwadratowego) pierwiastka, aby dowiedzieć się x: Otrzymujesz wynik x = 3 {\i1}textstyle {\i1}sqrt {3}} ${\textstyle {\sqrt {3}}}$ . Jeśli jednak masz 2x=3, to nie możesz użyć korzenia, aby dowiedzieć się x. Musisz raczej użyć logarytmu (binarnego), aby dowiedzieć się x: Otrzymasz wynik x=log2(3). Dzieje się tak
dlatego, że 2x zwykle nie jest taki sam jak x2 (na przykład, ²⁵⁼³² ale 5²=25).

Używa

Logarytmy mogą ułatwić mnożenie i dzielenie dużych liczb, ponieważ dodawanie logarytmów jest takie samo jak mnożenie, a odejmowanie logarytmów jest takie samo jak dzielenie.

Zanim kalkulatory stały się popularne i powszechne, ludzie używali tabel logarytmów w książkach do mnożenia i dzielenia. Te same informacje w tabeli logarytmów były dostępne na suwaku, narzędziu z napisanymi na nim logarytmami.

Spirale logarytmiczne są powszechne w naturze. Przykładem może być łupina paznokcia lub ułożenie nasion na słoneczniku.
W chemii, ujemna wartość logarytmu bazowego 10 aktywności jonów hydronowych (H3O+, forma H+ przyjmuje w wodzie) jest miarą znaną jako pH. Aktywność jonów hydronium w wodzie obojętnej wynosi ^10-7 mol/l w temperaturze 25 °C, stąd pH wynosi 7. (Jest to wynik stałej równowagi, produktu stężenia jonów hydronium i jonów hydroksylowych, w roztworach wodnych wynoszących 10-14 M2).
Skala Richtera mierzy intensywność trzęsienia ziemi w skali logarytmicznej bazowej 10.
W astronomii pozorna wielkość mierzy logarytmicznie jasność gwiazd, ponieważ oko również logarytmicznie reaguje na jasność.
Interwały muzyczne są mierzone logarytmicznie jako półtony. Odstęp między dwoma nutami w półtonach jest logarytmem bazowym-21/12 stosunku częstotliwości (lub równoważnym, 12-krotnym logarytmem bazowym-2). Ułamkowe półtoniowe są używane dla temperamentów niejednakowych. Zwłaszcza do pomiaru odchyleń od równej temperowanej skali, odstępy czasu są również wyrażane w centymetrach (setnych częściach półtonu o równej temperowanej skali). Odstęp między dwiema notatkami w centach jest logarytmem bazowym-21/1200 stosunku częstotliwości (lub 1200 razy większym od logarytmu bazowego-2). W MIDI, nuty są numerowane na skali półtonowej (logarytmiczny bezwzględny skok nominalny ze środkiem C przy 60). W przypadku mikrotuningu do innych systemów strojenia definiuje się skalę logarytmiczną, która w sposób kompatybilny wypełnia zakresy pomiędzy półtonami tej samej hartowanej skali. Skala ta odpowiada numerom notatek dla całych półtonów. (patrz strojenie mikroprzebiegowe w MIDI).

Wspólne logarytmy

Logarytmy do bazy 10 nazywane są wspólnymi logarytmami. Zazwyczaj są one pisane bez bazy. Na przykład:

log ( 100 ) = 2 {\i1}log(100)=2} $\log(100)=2\$

To znaczy:

10 2 = 100 {\i1}=100 {\i1} $10^{2}=100\$

Logarytmy naturalne

Logarytmy do podstawy e są nazywane logarytmami naturalnymi. Numer e wynosi prawie 2,71828 i jest również nazywany stałą euleryjską od nazwiska matematyka Leonharda Eulera.

Logarytmy naturalne mogą przyjmować symbole log e ( x ) {\i1} {\i1}{\i1}log _e}(x)\i1} $\log _{e}(x)\,$ lub ln ( x ) {\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1} $\ln(x)\,$

Niektórzy autorzy wolą używać logarytmów naturalnych jako log ( x ) {\i1}log(x)} $\log(x)$ , ale zazwyczaj wspominają o tym na stronach wstępnych.

Wspólne podstawy dla logarytmów

Podstawa	skrót	Komentarze
2	ld {\i1}nazwa operatora {\i0} } $\operatorname {ld}$	Bardzo powszechne w informatyce (binarnej)
e	$\ln$ albo po prostu zaloguj się do logu. $\log$	Podstawą tego jest stała euleryjska. Jest to najczęstszy logarytm stosowany w matematyce czystej.
10	log 10 $\log _{10}$ lub log 10 lub log 10. $\log$ (czasem pisane również jako lg {\i0}-gl $\lg$ {\i1})	Używane w niektórych naukach, takich jak chemia i biologia.
dowolny numer, n	log n {\i1}displaystyle {\i0} $\log _{n}$	To jest ogólny sposób pisania logarytmów

Właściwości logarytmów

Logarytmy mają wiele właściwości. Na przykład:

Właściwości z definicji logarytmu

Ta właściwość pochodzi prosto z definicji logarytmu:

log n ( n a ) = a {\i1}displaystyle {\i0}log _{n}(n^{a})=a} $\log _{n}(n^{a})=a$ Na przykład

log 2 ( 2 3 ) = 3 {\i1}log _{2}(2^{3})=3} $\log _{2}(2^{3})=3$ i

${\frac {1}{2}}=2^{-1}$ .

Logarytm do podstawy b liczby a jest taki sam jak logarytm a podzielony przez logarytm b. To znaczy,

log b ( a ) = log ( a ) log ( b ) {\i1}log _{b}(a)\i1} $\log _{b}(a)={\frac {\log(a)}{\log(b)}}$

Na przykład, niech a będzie 6, a b będzie 2. Za pomocą kalkulatorów możemy pokazać, że to prawda lub przynajmniej bardzo blisko:

log 2 ( 6 ) = log ( 6 ) log ( 2 ) {\i1}log _{2}(6)= {\i1}frac {\i1}{\i1}log(6)\i0}} $\log _{2}(6)={\frac {\log(6)}{\log(2)}}$

log 2 ( 6 ) ≈ 2.584962 {\i1}(6)\i1}log _{\i1}(6)\i1} ok. 2.584962} $\log _{2}(6)\approx 2.584962$

2.584962 ≈ 0.778151 0.301029 ≈ 2.584970 {\i1}(styropian 2.584962 \i0.778151}{0.301029}{\i1}około 2.584970} $2.584962\approx {\frac {0.778151}{0.301029}}\approx 2.584970$

Nasze wyniki miały mały błąd, ale wynikało to z zaokrąglenia liczb.

Ponieważ trudno jest wyobrazić sobie logarytm naturalny, okazuje się, że w kategoriach logarytmu podstawowego - dziesiątego:

ln ( x ) = log ( x ) log ( e ) ≈ log ( x ) 0.434294 {\i0.434294 {\i1} {\i1}frac {\i1}log(x)\i0.434294}} $\ln(x)={\frac {\log(x)}{\log(e)}}\approx {\frac {\log(x)}{0.434294}}$ Gdzie 0,434294 jest przybliżeniem logarytmu e.

Operacje w ramach argumentów logarytmów

Logarytmy, które mnożą się wewnątrz swojego argumentu, można zmienić w następujący sposób:

log ( a b ) = log ( a ) + log ( b ) {\i1}log(ab)=log(a)+log(b)} $\log(ab)=\log(a)+\log(b)$

Na przykład,

log ( 1000 ) = log ( 10 ⋅ 10 ⋅ 10 ) = log ( 10 ) + log ( 10 ) + log ( 10 ) = 1 + 1 + 1 = 3 {\i0}log(1000)= log(10\i0}cdot 10\cdot 10)= log(10)+\log(10)+\i0+log(10)=1+1+1=3} $\log(1000)=\log(10\cdot 10\cdot 10)=\log(10)+\log(10)+\log(10)=1+1+1=3$

To samo działa na zasadzie dzielenia, ale odejmowania zamiast dodawania, ponieważ jest to odwrotna operacja mnożenia:

log ( a b ) = log ( a ) - log ( b ) - log ( b ) - log ( b ) - log ( b ) - log ( b ) - log ( a ) - log ( b ) - log ( b ) - log ( a ) - log ( b ) - log ( b ) $\log {\bigg (}{\frac {a}{b}}{\bigg )}=\log(a)-\log(b)$

Tabele logarytmów, suwaki logarytmiczne i aplikacje historyczne

Przed komputerami elektronicznymi, logarytmy były używane codziennie przez naukowców. Logarytmy pomagały naukowcom i inżynierom w wielu dziedzinach, takich jak astronomia.

Przed komputerami ważnym narzędziem była tabela logarytmów. W 1617 roku Henry Briggs wydrukował pierwszą tabelę logarytmów. To było wkrótce po podstawowym wynalazku Napiera. Później ludzie tworzyli stoły z lepszym zakresem i precyzją. Tabele te podawały wartości logb(x) i bx dla dowolnej liczby x w pewnym zakresie, z pewną precyzją, dla pewnej podstawy b (zwykle b = 10). Na przykład, pierwsza tabela Briggsa zawierała wspólne logarytmy wszystkich liczb całkowitych z zakresu 1-1000, z dokładnością do 8 cyfr. Ponieważ funkcja f(x) = bx jest odwrotną funkcją logb(x), została ona nazwana antylogarytmem. Ludzie używali tych tabel do mnożenia i dzielenia liczb. Na przykład, użytkownik sprawdzał logarytm w tabeli dla każdej z dwóch liczb dodatnich. Dodanie liczb z tabeli dawałoby logarytm iloczynu. Antyilogarytmowa cecha tabeli znalazłaby wtedy iloczyn oparty na jej logarytmie.

W przypadku obliczeń ręcznych, które wymagają precyzji, wykonanie odwzorowania dwóch logarytmów, obliczenie ich sumy lub różnicy i sprawdzenie antylogarytmu jest znacznie szybsze niż wykonanie mnożenia na wcześniejsze sposoby.

Wiele tabel logarytmów podaje logarytmy, podając osobno charakterystykę i mantysę x, czyli część całkowitą i część ułamkową log10(x). Cecha 10 - x jest jedną plus cecha x, a ich znaczenia są takie same. Poszerza to zakres tabel logarytmów: podając tabelę z log10(x) dla wszystkich liczb całkowitych x z zakresu od 1 do 1000, logarytm 3542 jest przybliżony przez

log 10 ( 3542 ) = log 10 ( 10 ⋅ 354.2 ) = 1 + log 10 ( 354.2 ) ≈ 1 + log 10 ( 354 ) . {\i1}(3542)= dziennik _{10}(10\i0}(10\i0}(354.2)=1+ dziennik _{10}(354.2)= ok. 1+ dziennik _{10}(354).\i0} $\log _{10}(3542)=\log _{10}(10\cdot 354.2)=1+\log _{10}(354.2)\approx 1+\log _{10}(354).\,$

Innym krytycznym zastosowaniem był suwak, para logarytmicznie podzielonych skal używanych do obliczeń, jak pokazano tutaj:

Liczby są zaznaczone na wagach przesuwnych w odległościach proporcjonalnych do różnic między ich logarytmami. Przesunięcie górnej skali w odpowiedni sposób równa się mechanicznemu dodaniu logarytmów. Na przykład, dodanie odległości od 1 do 2 na skali dolnej do odległości od 1 do 3 na skali górnej daje iloczyn 6, który jest odczytywany w dolnej części. Wielu inżynierów i naukowców stosowało suwaki aż do lat 70-tych. Naukowcy mogą pracować szybciej za pomocą suwaków niż za pomocą tabeli logarytmów.

Schematyczne przedstawienie suwaka. Zaczynając od 2 na skali dolnej, dodać odległość do 3 na skali górnej, aby dotrzeć do produktu 6. Suwak działa, ponieważ jest tak zaznaczony, że odległość od 1 do x jest proporcjonalna do logarytmu x.

Najbliższe mgławice i gromady gwiazd (klikalna mapa)

Pytania i odpowiedzi

P: Co to są logarytmy?

O: Logarytmy to część matematyki związana z funkcjami wykładniczymi. Mówią, jaki wykładnik jest potrzebny do uzyskania danej liczby i są odwrotnością wykładania.

P: Jakie było historyczne zastosowanie logarytmów?

O: Logarytmy były historycznie przydatne do mnożenia i dzielenia dużych liczb.

P: Jaki jest przykład logarytmu?

O: Przykładem logarytmu jest log₂(8)=3, gdzie podstawą jest 2, argumentem jest 8, a odpowiedzią 3.

P: Co oznacza ten przykład?

O: Ten przykład oznacza, że dwa podniesione do potęgi trzeciej (2³) równa się osiem (2x2x2=8).

P: Jakie są niektóre popularne rodzaje logarytmów?

O: Niektóre popularne rodzaje logarytmów to logarytmy zwykłe o podstawie 10, logarytmy binarne o podstawie 2 i logarytmy naturalne o podstawie e ≈ 2,71828.