Правила натуральных логарифмов. Основные свойства логарифмов

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 xx 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 переменнаяявляется 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. Проверьте, не стоят ли под знаком логарифма отрицательные числа или единица. Данный метод применим к выражениям вида log b ⁡ (x) log b ⁡ (a) {\displaystyle {\frac {\log _{b}(x)}{\log _{b}(a)}}} . Однако он не годится для некоторых особых случаев:

   • Логарифм отрицательного числа не определен при любом основании (например, log ⁡ (− 3) {\displaystyle \log(-3)} или log 4 ⁡ (− 5) {\displaystyle \log _{4}(-5)} ). В этом случае напишите "нет решения".
   • Логарифм нуля по любому основанию также не определен. Если вам попался ln ⁡ (0) {\displaystyle \ln(0)} , запишите "нет решения".
   • Логарифм единицы по любому основанию ( log ⁡ (1) {\displaystyle \log(1)} ) всегда равен нулю, поскольку x 0 = 1 {\displaystyle x^{0}=1} для всех значений x . Запишите вместо такого логарифма 1 и не используйте приведенный ниже метод.
   • Если логарифмы имеют разные основания, например l o g 3 (x) l o g 4 (a) {\displaystyle {\frac {log_{3}(x)}{log_{4}(a)}}} , и не сводятся к целым числам, значение выражения нельзя найти вручную.

2. Преобразуйте выражение в один логарифм. Если выражение не относится к приведенным выше особым случаям, его можно представить в виде одного логарифма. Используйте для этого следующую формулу: log b ⁡ (x) log b ⁡ (a) = log a ⁡ (x) {\displaystyle {\frac {\log _{b}(x)}{\log _{b}(a)}}=\log _{a}(x)} .

   • Пример 1: рассмотрим выражение log ⁡ 16 log ⁡ 2 {\displaystyle {\frac {\log {16}}{\log {2}}}} .
     Для начала представим выражение в виде одного логарифма с помощью приведенной выше формулы: log ⁡ 16 log ⁡ 2 = log 2 ⁡ (16) {\displaystyle {\frac {\log {16}}{\log {2}}}=\log _{2}(16)} .
   • Эта формула "замены основания" логарифма выводится из основных свойств логарифмов.

3. При возможности вычислите значение выражения вручную. Чтобы найти log a ⁡ (x) {\displaystyle \log _{a}(x)} , представьте себе выражение " a ? = x {\displaystyle a^{?}=x} ", то есть задайтесь следующим вопросом: "В какую степень необходимо возвести a , чтобы получить x ?". Для ответа на этот вопрос может потребоваться калькулятор, но если вам повезет, вы сможете найти его вручную.

   • Пример 1 (продолжение): Перепишите в виде 2 ? = 16 {\displaystyle 2^{?}=16} . Необходимо найти, какое число должно стоять вместо знака "?". Это можно сделать методом проб и ошибок:
     2 2 = 2 ∗ 2 = 4 {\displaystyle 2^{2}=2*2=4}
     2 3 = 4 ∗ 2 = 8 {\displaystyle 2^{3}=4*2=8}
     2 4 = 8 ∗ 2 = 16 {\displaystyle 2^{4}=8*2=16}
     Итак, искомым числом является 4: log 2 ⁡ (16) {\displaystyle \log _{2}(16)} = 4 .

4. Оставьте ответ в логарифмической форме, если вам не удается упростить его. Многие логарифмы очень сложно вычислить вручную. В этом случае, чтобы получить точный ответ, вам потребуется калькулятор. Однако если вы решаете задание на уроке, то учителя, скорее всего, удовлетворит ответ в логарифмическом виде. Ниже рассматриваемый метод использован для решения более сложного примера:

   • пример 2: чему равно log 3 ⁡ (58) log 3 ⁡ (7) {\displaystyle {\frac {\log _{3}(58)}{\log _{3}(7)}}} ?
   • Преобразуем данное выражение в один логарифм: log 3 ⁡ (58) log 3 ⁡ (7) = log 7 ⁡ (58) {\displaystyle {\frac {\log _{3}(58)}{\log _{3}(7)}}=\log _{7}(58)} . Обратите внимание, что общее для обоих логарифмов основание 3 исчезает; это справедливо для любого основания.
   • Перепишем выражение в виде 7 ? = 58 {\displaystyle 7^{?}=58} и попробуем найти значение?:
     7 2 = 7 ∗ 7 = 49 {\displaystyle 7^{2}=7*7=49}
     7 3 = 49 ∗ 7 = 343 {\displaystyle 7^{3}=49*7=343}
     Поскольку 58 находится между этими двумя числами, не выражается целым числом.
   • Оставляем ответ в логарифмическом виде: log 7 ⁡ (58) {\displaystyle \log _{7}(58)} .

*Магистрант под научным руководством Исахова А. А., PhD математического и компьютерного моделирования

Задумывались ли вы о том, как люди считали в далёкие времена, когда не было ни калькуляторов, ни компьютеров? Расчёты выполнялись вручную, на бумаге или в уме. Хотя задачи, с которыми они сталкивались, были такими же сложными, как и современные.

Отсутствие вычислительных машин подталкивало древних математиков к упрощению вычислений. Они придумывали таблицы с уже рассчитанными выражениями (например, таблица умножения), искали пути замены сложных операций простыми. Сегодня мы поговорим об одном подобном «упрощении» или о том, как люди научились заменять умножение сложением, а деление – вычитанием. Благодаря этому был изобретён логарифм. Чтобы понять, что это, нужно сделать всего три шага.

ШАГ 1: Упрощать и ещё раз упрощать

Начнём с простого примера.

2 + 2 = 4

Давайте усложним задачу и найдём сумму пяти двоек.

2 + 2 + 2 + 2 + 2 = 10

И с этой задачей мы легко справились. А если нужно найти сумму 1 000 000 двоек? Использование аналогичного метода расчёта займёт уйму места и времени. Но хитрые математики поняли, как это легко сделать. Они придумали операцию умножения. Давайте посмотрим как это выглядит:

2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 128

Для упрощения этого выражения математики придумали операцию возведения в степень. Ясно, что речь идёт об умножении одного и того же числа на себя n раз, зачем его дублировать и записывать снова и снова? Не легче ли написать так?

Здесь а – основание степени, n – показатель степени. Таким образом, мы значительно укоротили запись. Независимо от величины показателя степени, выражение будет выглядеть весьма лаконично:

Михаэль Штифель (1487–1567) — немецкий математик, внёс значительный вклад в развитие алгебры и таких её областей как прогрессии, возведение в степень и отрицательные числа. Штифель впервые использовал понятия «показатель степени» и «корень». Несмотря на то, что учёный фактически использовал логарифмы, слава первооткрывателя досталась шотладскому математику Джону Неперу (1550–1617).

ШАГ 2: Понять свойства степеней

Как мы уже говорили, древние математики не обременяли себя расчётами каждый раз, когда им нужно было помножить или сложить числа, а использовали таблицы с заранее рассчитанными результатами. Очень удобно! Пользуясь подобной таблицей, немецкий математик Михаэль Штифель заметил интересную закономерность между арифметической и геометрической прогрессией.

Арифмитическая прогрессия	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Геометрическая прогрессия	2	4	8	16	32	64	128	256	512	1024
Степенная запись	2 1	2 2	2 3	2 4	2 5	2 6	2 7	2 8	2 9	2 10

Давайте и мы попробуем её увидеть. Ведь эта закономерность позволяет упростить операции умножения и деления . Пусть нам необходимо посчитать произведение двух чисел:

16 × 64 =  ?

Прежде чем браться за расчёты, взгляните на таблицу и найдите эти числа: это члены геометрической прогрессии с шагом 2. Числа, стоящие над ними в верхнем ряду: 4 над 16; 6 над 64 – это члены арифметической прогрессии. Сложим эти числа: 4 + 6 = 10. Теперь смотрим, какое число стоит под цифрой 10 во втором ряду – 1024. А ведь если выполнить наше изначальное задание 16х64, то результат будет равен 1024. Это значит, что, пользуясь таблицей и умея лишь складывать цифры, можно легко находить произведение.

Теперь рассмотрим операцию деления:

Снова посмотрите на таблицу и найдите соответствующие числа из верхнего ряда. Получим 10 и 7 соответственно. Если при умножении мы складываем, то при делении мы вычитаем: 10–7  =  3. Смотрим на число, стоящее под числом 3 во втором ряду, это 8. Следовательно, 1024:128 = 8.

Точно так же можно использовать таблицу для операций возведения в степень и извлечения корня.

Например, нам надо возвести 32 в квадрат. Смотрим на число, стоящее над 32 в верхнем ряду. Получаем 5. Умножаем 5 на 2. Выходит 10, далее смотрим на число, стоящее под 10: 1024. Отсюда 32 2   = 1024.

Рассмотрим извлечение корня. Например, найдём корень третьей степени от числа 512. Над числом 512 в верхнем ряду стоит 9. Разделим 9 на 3, получим 3. Находим соответствующее число во втором ряду. Получим 8. Следовательно, 83 = 512.

Все четыре примера – это следствие свойств степеней, которые можно записать следующим образом:

ШАГ 3: Назовём это логарифм

Разобравшись со степенями, попробуем решить маленькое уравнение:

2 x = 4

Данное уравнение называют показательным . Так как х , который нам необходимо найти, является показателем степени, в которую надо возвести 2, чтобы получить 4. Решение уравнения х  = 2.

Рассмотрим другой аналогичный пример:

2 x = 5

Ещё раз проговорим условие, мы ищем число х, в которое надо возвести 2, чтобы получить 5. Этот вопрос ставит нас в ступор. Решение наверняка существует, например, если нарисовать графики этих функций, то они пересекаются. Но что бы найти его, нам придётся искать его методом проб и ошибок. А это могло занять много времени.

Поэтому древние учёные придумали логарифм, они знали, что решение уравнения существует, но оно не всегда было нужно сразу. Математически это записывается так: х  =  log 2 5 . Вот мы и нашли решение уравнения 2 x   = 5. Ответ: х  =  log 2 5. Если же привести точный ответ, то х = 2,32192809489… , причём эта дробь не заканчивается никогда.

Выражение читается следующим образом: логарифм числа 5 по основанию 2 . Запомнить это легко: основание всегда пишется внизу, и в показательных и в логарифмических записях.

Свойства логарифма

Логарифмы имеют ограничения . В математике существуют два жёстких ограничения.

а) Нельзя делить на ноль

б) Извлекать корень чётной степени из отрицательного числа (так как отрицательное число, возведённое в квадрат, всегда будет положительным).

равносильно записи

a x = b

Ограничения на а

а — это основание, которое нужно возвести в степень x, чтобы получить b.

Если a  = 1. Единица в любой степени будет давать единицу.

А если а меньше нуля? Отрицательные числа — капризные. В одну степень их можно возводить, в другую — нельзя. Поэтому их тоже исключаем. В результате получаем: а > 0; a ≠ 1

Ограничения на b

Если положительное число возвести в любую степень, получим также положительное число. Отсюда: b > 0. x может быть любым числом, так как мы можем возводить в любую степень.

Если b  = 1. то при любом a значение x = 0.

Операции над логарифмами

Учитывая основные свойства степеней, выведем аналогичные и для логарифмов:

Сумма . Логарифм произведения равен сумме логарифмов сомножителей:

Разность . Логарифм частного равен разности логарифмов делимого и делителя:

Степень . Логарифм степени равен произведению показателя степени на логарифм её основания.

(от греческого λόγος - «слово», «отношение» и ἀριθμός - «число») числа b по основанию a (log α b ) называется такое число c , и b = a c , то есть записи log α b =c и b=a c эквивалентны. Логарифм имеет смысл, если a > 0, а ≠ 1, b > 0.

Говоря другими словами логарифм числа b по основанию а формулируется как показатель степени , в которую надо возвести число a , чтобы получить число b (логарифм существует только у положительных чисел).

Из данной формулировки вытекает, что вычисление x= log α b , равнозначно решению уравнения a x =b.

Например:

log 2 8 = 3 потому, что 8=2 3 .

Выделим, что указанная формулировка логарифма дает возможность сразу определить значение логарифма , когда число под знаком логарифма выступает некоторой степенью основания. И в правду, формулировка логарифма дает возможность обосновать, что если b=a с , то логарифм числа b по основанию a равен с . Также ясно, что тема логарифмирования тесно взаимосвязана с темой степени числа .

Вычисление логарифма именуют логарифмированием . Логарифмирование - это математическая операция взятия логарифма. При логарифмировании, произведения сомножителей трансформируется 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 трансформируются в произведение сомножителей.

Достаточно часто используются вещественные логарифмы с основаниями 2 (двоичный), е число Эйлера e ≈ 2,718 (натуральный логарифм) и 10 (десятичный).

На данном этапе целесообразно рассмотреть образцы логарифмов log 7 2, ln√ 5, lg0.0001.

А записи lg(-3), log -3 3.2, log -1 -4.3 не имеют смысла, так как в первой из них под знаком логарифма помещено отрицательное число , во второй - отрицательное число в основании, а в третьей - и отрицательное число под знаком логарифма и единица в основании.

Условия определения логарифма.

Стоит отдельно рассмотреть условия a > 0, a ≠ 1, b > 0.при которых дается определение логарифма . Рассмотрим, почему взяты эти ограничения. В это нам поможет равенство вида x = log α b , называемое основным логарифмическим тождеством , которое напрямую следует из данного выше определения логарифма.

Возьмем условие a≠1 . Поскольку единица в любой степени равна единице, то равенство x=log α b может существовать лишь при b=1 , но при этом log 1 1 будет любым действительным числом . Для исключения этой неоднозначности и берется a≠1 .

Докажем необходимость условия a>0 . При a=0 по формулировке логарифма может существовать только при b=0 . И соответственно тогда log 0 0 может быть любым отличным от нуля действительным числом, так как нуль в любой отличной от нуля степени есть нуль. Исключить эту неоднозначность дает условие a≠0 . А при a<0 нам бы пришлось отвергнуть разбор рациональных и иррациональных значений логарифма, поскольку степень с рациональным и иррациональным показателем определена лишь для неотрицательных оснований. Именно по этой причине и оговорено условие a>0 .

И последнее условие b>0 вытекает из неравенства a>0 , поскольку x=log α b , а значение степени с положительным основанием a всегда положительно.

Особенности логарифмов.

Логарифмы характеризуются отличительными особенностями , которые обусловили их повсеместное употребление для значительного облегчения кропотливых расчетов. При переходе «в мир логарифмов» умножение трансформируется на значительно более легкое сложение, деление — на вычитание, а возведение в степень и извлечение корня трансформируются соответствующе в умножение и деление на показатель степени.

Формулировку логарифмов и таблицу их значений (для тригонометрических функций) впервые издал в 1614 году шотландский математик Джон Непер. Логарифмические таблицы, увеличенные и детализированные прочими учеными, широко использовались при выполнении научных и инженерных вычислений, и оставались актуальными пока не стали применяться электронные калькуляторы и компьютеры.

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)