Методы решения физико-математических задач

Натуральный логарифм, функция ln x

Основные формулы с натуральным логарифмом
Приведены основные свойства натурального логарифма, график, область определения, множество значений, основные формулы, производная, интеграл, разложение в степенной ряд и представление функции ln x посредством комплексных чисел.

Определение

Натуральный логарифм
– это функция   y = ln x , обратная к экспоненте, x = e y , и являющаяся логарифмом по основанию числа е :   ln x = loge x .

Натуральный логарифм широко используется в математике, поскольку его производная имеет наиболее простой вид: (ln x)′ = 1/x .

Исходя из определения, основанием натурального логарифма является число е:
е ≅ 2,718281828459045... ;
e = limn → ∞ ( 1 + 1n  ) n  . 

График натурального логарифма ln x

График натурального логарифма ln x
График функции y = ln x .

График натурального логарифма (функции y = ln x) получается из графика экспоненты зеркальным отражением относительно прямой y = x .

Натуральный логарифм определен при положительных значениях переменной x . Он монотонно возрастает на своей области определения.

При x → 0 пределом натурального логарифма является минус бесконечность ( – ∞ ).

При x → + ∞ пределом натурального логарифма является плюс бесконечность ( + ∞ ). При больших x логарифм возрастает довольно медленно. Любая степенная функция xa с положительным показателем степени a растет быстрее логарифма.

Свойства натурального логарифма

Область определения, множество значений, экстремумы, возрастание, убывание

Натуральный логарифм является монотонно возрастающей функцией, поэтому экстремумов не имеет. Основные свойства натурального логарифма представлены в таблице.

  y = ln x
Область определения 0 < x + ∞
Область значений – ∞ < y < + ∞
Монотонность монотонно возрастает
Нули, y = 0 x = 1
Точки пересечения с осью ординат, x = 0 нет
limx →  + ∞ ln x + ∞
limx →  + 0 ln x – ∞

Значения ln x

ln 1 = 0 ;   ln e = 1;   ln e n  = n;   ln 1e = – 1;   ln 1e n  = – n; 

Основные формулы натуральных логарифмов

Формулы, вытекающие из определения обратной функции:
ln e x  = x;    e ln x  = x

Основное свойство логарифмов и его следствия

ln (xy ) = ln x + ln y
ln ( xy  ) = ln x – ln y
ln x p  = p ln x;   ln n√ x  ≡ ln x 1n   = 1n ln x

Формула замены основания

Любой логарифм можно выразить через натуральные логарифмы с помощью формулы замены основания:
log a b = log e blog e a ≡ ln bln a 
Доказательства этих формул представлены в разделе "Логарифм".

Обратная функция

Обратной для натурального логарифма является экспонента.

Если    y = ln x (x > 0 ) ,    то    x = e  y 

Если    y = e  x   ,    то    x = ln y . 

Производная ln x

Производная натурального логарифма:
( ln x  ) ′ = 1x  . 
Производная натурального логарифма от модуля x :
( ln  | x |  ) ′ = 1x  . 
Производная n-го порядка:
( ln  | x |  ) (n )  = (– 1 ) n – 1 (n – 1 )!x n   . 
Вывод формул > > >

Интеграл

Интеграл вычисляется интегрированием по частям:
∫ ln x dx =  ln x ⋅ x – ∫ x (ln x ) ′ dx =  ln x ⋅ x – ∫ x  1x  dx =  ln x ⋅ x – ∫ dx =  ln x ⋅ x – x + C =  x ( ln x – 1 ) + C . 
Итак,
∫ ln x dx = x ( ln x – 1 ) + C

Выражения через комплексные числа

Рассмотрим функцию комплексной переменной z :
 f (z ) = ln z . 
Выразим комплексную переменную z через модуль r и аргумент φ:
z = re iφ  . 
Используя свойства логарифма, имеем:
 f (z ) = ln z = ln ( re iφ  ) =  ln r + ln e iφ  =  ln r + iφ ln e =  ln r + iφ . 
Или
ln z = ln r + iφ . 
Аргумент φ определен не однозначно. Если положить
φ = φ0  + 2πn ,  где n – целое,
то z = re iφ  будет одним и тем же числом при различных n .

Поэтому натуральный логарифм, как функция от комплексного переменного, является не однозначной функцией.

Разложение в степенной ряд

При – 1 < x < 1 имеет место разложение:
ln (1 + x ) =  ∞Σn = 1 (– 1 ) n – 1 x n n =  x – x 2 2 + x 3 3 – x 4 4 + ⋅ ⋅ ⋅

Использованная литература:
И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов, «Лань», 2009.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню