Методы решения физико-математических задач

Логарифм - свойства, формулы, график

Определение и свойства логарифма
Приведены основные свойства логарифма, график логарифма, область определения, множество значений, основные формулы, возрастание и убывание. Рассмотрено нахождение производной логарифма. А также интеграл, разложение в степенной ряд и представление посредством комплексных чисел.

Определение логарифма

Логарифм с основанием a
– это функция  y(x) = loga x , обратная к показательной функции с основанием a:   x(y) = a y .

В дальнейшем будем считать, что основание логарифма a положительное, не равное единице число: a > 0,  a ≠ 1 . 

Десятичный логарифм
– это логарифм по основанию числа 10 :   lg x ≡ log10 x .
Натуральный логарифм
– это логарифм по основанию числа e :   ln x ≡ loge x .

e = limn → ∞( 1 + 1n  )n  ≈  2,718281828459045... ;
e = 2 + 12! + 13! + 14! + ⋅ ⋅ ⋅ + 1n! + ⋅ ⋅ ⋅ . 

Графики логарифма

Графики логарифма
Графики логарифма y = loga x при различных значениях основания a .

График логарифма получается из графика показательной функции зеркальным отражением относительно прямой y = x . Слева изображены графики функции y = loga x для четырех значений основания логарифма: a = 2 , a = 8 , a = 1/2 и a = 1/8 . На графике видно, что при a > 1 логарифм монотонно возрастает. С увеличением x рост существенно замедляется. При 0 < a < 1 логарифм монотонно убывает.

Свойства логарифма

См. также «Определение и доказательство свойств логарифма».

Область определения, множество значений, возрастание, убывание

Логарифм является монотонной функцией, поэтому экстремумов не имеет. Основные свойства логарифма представлены в таблице.

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

Частные значения

loga 1 = 0;   logaa = 1;   logaan  = n;   loga1a = – 1;   loga1an = – n; 
Логарифм по основанию 10 называется десятичным логарифмом и обозначается так:
lg x = log10x
Логарифм по основанию e называется натуральным логарифмом:
ln x = logex

Основные формулы логарифмов

Свойства логарифма, вытекающие из определения обратной функции:
logaax  = x;    a logax  = x

Основное свойство логарифмов и его следствия

logaxy = logax + logay
loga(xy  ) = logax – logay
logaxp  = p logax;   loganx ≡ logax1n  = 1n logax

Формула замены основания

logab = logcblogca ,    logab = 1logba

Логарифмирование
– это математическая операция взятия логарифма. При логарифмировании, произведения сомножителей преобразуются в суммы членов.
Потенцирование
– это математическая операция обратная логарифмированию. При потенцировании заданное основание возводится в степень выражения, над которым выполняется потенцирование. При этом суммы членов преобразуются в произведения сомножителей.

Доказательство основных формул логарифмов

Формулы, связанные с логарифмами вытекают из формул для показательных функций и из определения обратной функции.

Рассмотрим свойство показательной функции
ap + q  = ap  ⋅ aq  . 
Тогда
loga (x ⋅ y ) =  loga (a logax  ⋅ a logay ) =  logaa logax + logay  =  logax + logay . 
Применим свойство показательной функции
(ap  )q  = apq   : 
logaxp  = loga(a logax  )p  =  loga(ap logax  ) = p logax . 

Докажем формулу замены основания.
logcb = logca logab  =  logab ⋅ logca ; 
logab = logcblogca  . 
Полагая c = b , имеем:
logab = logbblogba = 1logba

Обратная функция

Обратной для логарифма по основанию a является показательная функция с показателем степени a .

Если    y = logax (x > 0,  a > 0,  a ≠ 1 ) ,    то    x = a  y

Если    y = a  x  (a > 0,  a ≠ 1 ) ,    то    x = logay

Производная логарифма

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

Для нахождения производной логарифма, его нужно привести к основанию e.
( logax  ) = (logexlogea  ) ≡ (ln xln a  ) = 1ln a( ln x  ) = 1ln a ⋅ 1x  ; 
( logax  ) = 1x ln a  . 

Интеграл

Интеграл от логарифма вычисляется интегрированием по частям:
 logaxdx = logexlogeadx =  1logea logexdx ≡  1ln a ln xdx =  1ln a( ln x ⋅ x – x (ln x )dx  ) =  1ln a( ln x ⋅ x – x  1x  dx  ) =  1ln a( ln x ⋅ x – dx  ) =  1ln a( ln x ⋅ x – x  ) + C =  x ( ln x – 1 )ln a + C . 
Итак,
 logaxdx = x ( ln x – 1 )ln a + C

Выражения через комплексные числа

Рассмотрим функцию комплексного числа z:
f (z ) = logaz . 
Выразим комплексное число z через модуль r и аргумент φ:
z = re  . 
Тогда, используя свойства логарифма, имеем:
f (z ) = logaz = logare  =  logar + logae  =  logar +  logae =  logar + 1logea ≡  logar + 1ln a = logar + ln a  . 
Или
logaz = logar + ln a
Однако, аргумент φ определен не однозначно. Если положить
φ = φ0  + 2πn ,  где n - целое,
то z = re будет одним и тем же числом при различных n.

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

Разложение в степенной ряд

При – 1 < x < 1 имеет место разложение:
loga (1 + x ) = ln (1 + x )ln a =  1ln a  Σn = 1 (– 1 )n – 1xnn =  1ln a(x – x 22 + x 33 – x 44 + ⋅ ⋅ ⋅  )

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

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню