Логарифм - свойства, формулы, график
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
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 = loga x, a > 1 | y = loga x, 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 →  + ∞ loga x | + ∞ | – ∞ |
| limx →  + 0 loga x | – ∞ | + ∞ |
Частные значения
loga 1 = 0; loga a = 1; loga a n  = n; loga 1a = – 1; loga 1a n  = – n;
Логарифм по основанию 10 называется десятичным логарифмом и обозначается так:
lg x = log10 x
Логарифм по основанию e называется натуральным логарифмом:
ln x = loge x
Основные формулы логарифмов
Свойства логарифма, вытекающие из определения обратной функции:
loga a x  = x; a loga x  = x
Основное свойство логарифмов и его следствия
loga xy = loga x + loga y
loga ( xy  ) = loga x – loga y
loga x p  = p loga x; loga n√ x  ≡ loga x 1n   = 1n loga x
Формула замены основания
loga b = logc blogc a , loga b = 1logb a
- 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
a p + q  = a p  ⋅ a q  .
Тогда
loga (x ⋅ y ) = loga (a loga x  ⋅ a loga y ) = loga a loga x + loga y  = loga x + loga y .
Применим свойство показательной функции
( a p  ) q  = a pq   :
loga x p  = loga ( a loga x  ) p  = loga ( a p loga x  ) = p loga x .
Докажем формулу замены основания.
logc b = logc a loga b  = loga b ⋅ logc a ;
loga b = logc blogc a .
Полагая c = b , имеем:
loga b = logb blogb a = 1logb a
Обратная функция
Обратной для логарифма по основанию a является показательная функция с показателем степени a .
Если y = loga x (x > 0, a > 0, a ≠ 1 ) , то x = a  y 
Если y = a  x  (a > 0, a ≠ 1 ) , то x = loga y
Производная логарифма
Производная логарифма от модуля x :
( loga  | x |  ) ′ = 1x ln a .
Производная n-го порядка:
( loga  | x |  ) (n )  = (– 1 ) n – 1 (n – 1 )!x n ln a .
Вывод формул > > >
Для нахождения производной логарифма, его нужно привести к основанию e.
( loga x  ) ′ = ( log e xlog e a  ) ′ ≡ ( ln xln a  ) ′ = 1ln a ( ln x  ) ′ = 1ln a ⋅ 1x ;
( loga x  ) ′ = 1x ln a .
Интеграл
Интеграл от логарифма вычисляется интегрированием по частям:
∫ loga x dx = ∫ log e xlog e a dx = 1log e a ∫ log e x dx ≡ 1ln a ∫ ln x dx = 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,
∫ log a x dx = x ( ln x – 1 )ln a + C
Выражения через комплексные числа
Рассмотрим функцию комплексного числа z:
f (z ) = log a z .
Выразим комплексное число z через модуль r и аргумент φ:
z = re iφ  .
Тогда, используя свойства логарифма, имеем:
f (z ) = log a z = log a re iφ  = log a r + log a e iφ  = log a r + iφ log a e = log a r + iφ 1log e a ≡ log a r + iφ 1ln a = log a r + iφln a .
Или
log a z = log a r + iφln a
Однако, 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 логарифм, как функция от комплексного переменного, является не однозначной функцией.
Разложение в степенной ряд
При – 1 < x < 1 имеет место разложение:
log a (1 + x ) = ln (1 + x )ln a = 1ln a ∞Σn = 1 (– 1 ) n – 1 x n n = 1ln a ( 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: