Természetes logaritmus

A természetes logaritmus az e bázis logaritmusa , ahol egy körülbelül 2,72 irracionális állandó. Jelölése: , vagy néha egyszerűen , ha az alap implikált [1] . Általában a logaritmus előjele alatti szám valós , de ez a fogalom kiterjeszthető komplex számokra is .

A definícióból következik, hogy a logaritmikus függés a kitevő inverz függvénye , így grafikonjaik szimmetrikusak az első és a harmadik negyed felezőszögére (lásd a jobb oldali ábrát). Az exponenciálishoz hasonlóan a logaritmikus függvény is a transzcendentális függvények kategóriájába tartozik .

A természetes logaritmusok hasznosak olyan algebrai egyenletek megoldására, amelyekben az ismeretlen exponensként van jelen, a számításban nélkülözhetetlenek . Például logaritmusokat használnak egy radioaktív anyag ismert felezési idejének bomlási állandójának meghatározására . Fontos szerepet játszanak a matematika és az alkalmazott tudományok számos területén, a pénzügyek területén használják különféle problémák megoldására (például kamatos kamat megállapítására ).

Definíció

Egy szám természetes logaritmusa az a kitevő , amelyre e - t fel kell emelni , hogy megkapjuk . Más szóval, a természetes logaritmus az egyenlet megoldása

Példák:

mert ; , mert .

Valódi természetes logaritmus

A valós szám természetes logaritmusa minden pozitív számra meghatározott és egyedi

A természetes logaritmus geometriailag is definiálható bármely pozitív valós számra a görbe alatti területként az intervallumban . Ennek a definíciónak az egyszerűsége, amely összhangban van sok más, ezt a logaritmust használó formulával, megmagyarázza a „természetes” név eredetét.

Tulajdonságok

A logaritmus definíciójából következik az alapvető logaritmikus azonosság [2] :

Itt található a képletek összefoglalása, feltételezve, hogy minden érték pozitív [3] :

Képlet Példa
Munka
Magán
Fokozat
Gyökér

Egyéb tulajdonságok:

Kapcsolódás logaritmusokkal más bázison

A logaritmus definiálható bármely más pozitív bázisra , nem csak a -ra, de a többi bázis logaritmusa csak konstans tényezővel tér el a természetes logaritmustól.

Az alap logaritmus átváltható [4] természetes logaritmusra és fordítva:

A decimális ( ) és a természetes logaritmus közötti kapcsolat [5] :

A bináris ( ) és a természetes logaritmus közötti kapcsolat:

Logaritmikus függvény

Ha egy logaritmikus számot veszünk változónak, akkor logaritmikus függvényt kapunk . Itt van meghatározva . Értéktartomány: . Ezt a görbét gyakran nevezik logaritmusnak [6] . A logaritmusalap megváltoztatására szolgáló képletből látható, hogy az egynél nagyobb bázisú logaritmikus függvények grafikonjai csak a tengely menti léptékben térnek el egymástól ; Az egynél kisebb bázisok grafikonjai a vízszintes tengely körüli tükörképe.

A függvény szigorúan növekvő, folyamatos és korlátlanul differenciálható definíciós tartományában mindenhol.

Az y tengely ( ) a függőleges aszimptota , mert:

A természetes logaritmikus függvény deriváltja:

Ennek a képletnek az egyszerűsége az egyik oka a természetes logaritmus elterjedtségének az elemzésben és a differenciálegyenletek megoldásában .

A derivált képletét a -tól ig terjedő tartományba integrálva a következőt kapjuk:

Más szavakkal, a természetes logaritmus egyenlő a hiperbola alatti területtel a megadott intervallumra vonatkozóan .

Az általános algebra szempontjából a logaritmikus függvény az (egyetlen lehetséges) izomorfizmust valósítja meg a pozitív valós számok multiplikatív csoportja és az összes valós szám additív csoportja között. Más szóval, a logaritmikus függvény az egyetlen (az argumentum összes pozitív értékére definiált) folytonos megoldása a [7] funkcionális egyenletnek :

A függvény analitikai tulajdonságai

A természetes logaritmus deriváltjának képletéből az következik, hogy a hiperbola antideriváltja a következő formában van:

ahol egy tetszőleges integrációs állandó. Mivel a függvény két ágból áll (az egyik a pozitív, a másik a negatív ), a for antiderivált családja is két alcsaládból áll, és ezek integrációs állandói függetlenek egymástól.

A természetes logaritmus határozatlan integrálja könnyen megtalálható részenkénti integrálással :

A matematikai elemzésben és a differenciálegyenletek elméletében a függvény logaritmikus deriváltjának fogalma fontos szerepet játszik :

A logaritmus kiszámításának módszerei

Kibővítjük a természetes logaritmust egy Taylor sorozatban , közel egységben:

(1. sor)

Ez a sorozat, az úgynevezett " Merator sorozat", konvergál a . Különösen:

Az 1. sorozat képlete alkalmatlan a logaritmusok gyakorlati kiszámítására, mivel a sorozatok nagyon lassan és csak szűk intervallumban konvergálnak. Azonban nem nehéz beszerezni belőle egy kényelmesebb képletet:

(2. sor)

Ez a sorozat gyorsabban konvergál, ráadásul a képlet bal oldala immár bármilyen pozitív szám logaritmusát is kifejezheti , mert akkor az abszolút érték kisebb egynél. Ez az algoritmus már alkalmas logaritmusértékek valós numerikus számításaira, azonban munkaintenzitás szempontjából nem a legjobb.

A természetes logaritmus sok számjegyű pontosságú kiszámításához a Taylor-sor nem hatékony, mert lassú a konvergenciája. Alternatív megoldásként Newton módszerét használjuk az exponenciális függvények invertálására, amelynek sorozata gyorsabban konvergál.

A nagyon nagy számítási pontosság alternatívája a következő képlet: [8] [9] :

ahol 1 és 4/s számtani-geometriai átlagát jelöli , és

m úgy van megválasztva, hogy p számjegy legyen a pontosság. (A legtöbb esetben m-re 8-as érték is elegendő.) Valóban, ha ezt a módszert alkalmazzuk, akkor a természetes logaritmus Newton-féle inverziója alkalmazható az exponenciális függvény hatékony kiszámítására. Az ln 2 és pi állandók a kívánt pontossággal előre kiszámíthatók az ismert gyorsan konvergens sorozatok bármelyikével.

A természetes logaritmusok számítási bonyolultsága (az aritmetikai-geometriai átlagot használva) O( M ( n ) ln n ). Itt n azon pontosságú számjegyek száma, amelyekre a természetes logaritmust ki kell számítani, M ( n ) pedig két n - jegyű szám szorzásának számítási bonyolultsága.

Hasznos korlátok

Íme néhány hasznos korlát a logaritmusokkal kapcsolatban [10] :

Transzcendencia

A Lindemann-Weierstrass-tételből (1885) a következő következmény következik: ha az argumentum egytől eltérő algebrai szám , akkor az érték nemcsak irracionális , hanem transzcendentális szám is [11] .

Folytatva törtek

Bár nincsenek klasszikus folytatólagos törtek a logaritmus ábrázolására , számos "általánosított tört" használható, beleértve:

Történelem

A mai értelemben vett természetes logaritmusok először 1619-ben jelentek meg, amikor a londoni matematikatanár, John Speidel újrakiadta Napier logaritmikus táblázatait, javítva és kiegészítve, hogy azok valóban természetes logaritmusok táblázataivá váljanak [12] . 1649-ben Grégoire de Saint-Vincent belga matematikus kimutatta, hogy a hiperbola alatti terület egy logaritmikus törvény szerint változik, és azt javasolta, hogy ezt a fajta logaritmust „hiperbolikusnak” nevezzék [13] .

A "természetes logaritmus" kifejezést Pietro Mengoli (1659) és Nicholas Mercator vezette be a "Logarithmotechnia" (1668) című alapművében [14] [15] . Ugyanitt Mercator leírta a természetes logaritmus kiterjesztését a " Mercator sorozatba ".

Az első kísérleteket a logaritmus komplex számokra való kiterjesztésére a 17-18. század fordulóján Leibniz és Johann Bernoulli tette , de nem sikerült holisztikus elméletet alkotniuk, elsősorban azért, mert maga a logaritmus fogalma még nem volt világos. meghatározott [16] . Erről a témáról először Leibniz és Bernoulli, majd a 18. század közepén d'Alembert és Euler között vitatkoztak . Bernoulli és D'Alembert úgy vélte, hogy definiálni kell , míg Leibniz azzal érvelt, hogy egy negatív szám logaritmusa képzeletbeli szám [16] . A negatív és komplex számok logaritmusának teljes elméletét Euler publikálta 1747-1751-ben, és lényegében nem különbözik a moderntől [17] .

Komplex logaritmusok

A komplex logaritmus egy analitikus függvény , amelyet úgy kapunk, hogy a valós logaritmust kiterjesztjük a teljes komplex síkra (a nulla kivételével). A valós esettől eltérően a komplex logaritmusfüggvény többértékű .

Meghatározás . Egy komplex szám természetes logaritmusa [6] az egyenlet megoldása

A nullától eltérő szám kifejezhető exponenciális formában:

ahol egy tetszőleges egész szám

Ezután a [18] képlettel találjuk meg :

Itt az igazi logaritmus. Ebből következik:

A komplex logaritmus létezik bármelyik esetén, és valós része egyedileg meghatározott, míg a képzeletbeli rész végtelen számú értéket tartalmaz, amelyek egész szám többszörösével különböznek.

A képletből látható, hogy az értékek közül csak egynek van képzeletbeli része az intervallumban . Ezt az értéket nevezzük a komplex természetes logaritmus főértékének [6] . A megfelelő (már egyértékű) függvényt a logaritmus fő ágának nevezzük, és jelöléssel jelöljük . Ha valós szám, akkor logaritmusának főértéke egybeesik a szokásos valós logaritmussal.

Egy negatív szám logaritmusát a [18] képlet határozza meg :

Példák:

Óvatosnak kell lennie az összetett logaritmusok konvertálásakor, figyelembe véve, hogy ezek többértékűek, ezért ezeknek a kifejezéseknek az egyenlősége nem következik egyetlen kifejezés logaritmusának egyenlőségéből sem. Példa a hibás érvelésre:

nyilvánvaló hiba.

Ne feledje, hogy a logaritmus fő értéke a bal oldalon, a mögöttes ág értéke ( ) pedig a jobb oldalon található. A hiba oka a tulajdonság gondatlan használata , ami általában véve összetett esetben magában foglalja a logaritmus teljes végtelen értékkészletét, és nem csak a főértéket.

Egy komplex szám természetes logaritmusának függvénye úgy is definiálható, mint a valós logaritmus analitikus folytatása a nulla kivételével a teljes komplex síkra . A görbe kezdőpontja egyből, z-nél végződjön, ne menjen át nullán, és ne keresztezze a valós tengely negatív részét. Ekkor a logaritmus fő értéke a görbe végpontjában a [19] képlettel határozható meg :

Egyes alkalmazások

Számelmélet

A prímszámok eloszlása ​​aszimptotikusan követi az egyszerű törvényeket [20] :

  1. Az 1 és megközelítőleg közötti prímszámok száma egyenlő .
  2. k -edik prím megközelítőleg egyenlő .

Matematikai elemzés

Integrálok keresésekor és differenciálegyenletek megoldása során gyakran felmerülnek a logaritmusok . Példák:

Valószínűségszámítás és statisztika

A statisztikában és a valószínűségszámításban a logaritmus számos, gyakorlatilag fontos valószínűségi eloszlásban szerepel. Például a logaritmikus eloszlást [21] használják a genetikában és a fizikában. A lognormális eloszlás gyakran előfordul olyan helyzetekben, amikor a vizsgált érték több független pozitív valószínűségi változó szorzata [22] .

Egy ismeretlen paraméter becslésére széles körben használják a maximum likelihood módszert és a hozzá tartozó log-likelihood függvényt [23] .

A véletlenszerű séta ingadozásait a Khinchin-Kolmogorov törvény írja le .

Fraktálok és méretek

A logaritmusok segítenek kifejezni egy fraktál Hausdorff-dimenzióját [24] . Vegyük például a Sierpinski-háromszöget , amelyet egy egyenlő oldalú háromszögből kapunk hasonló háromszögek egymás utáni eltávolításával, amelyek lineáris méretét mindegyik szakaszban felezzük (lásd az ábrát). Az eredmény méretét a következő képlet határozza meg:

Mechanika és fizika

A Boltzmann-elv a statisztikai termodinamikában a termodinamikai rendszer állapotának egyik legfontosabb függvénye, amely a véletlenszerűség mértékét jellemzi .

A rakéta sebességének kiszámításához a Ciolkovszkij-képletet használják.

Kémia és fizikai kémia

A Nernst-egyenlet összekapcsolja a rendszer redoxpotenciálját az elektrokémiai egyenletben szereplő anyagok aktivitásával, valamint a redox párok standard elektródpotenciáljával .

A logaritmus olyan mennyiségek meghatározásában használatos, mint az autoprotolízis állandó indexe ( a molekula önionizációja) és a hidrogénindex (az oldat savassága).

Pszichológia és fiziológia

Számos jelenség emberi észlelését jól leírja a logaritmikus törvény.

A Weber-Fechner törvény egy empirikus pszichofiziológiai törvény, amely kimondja, hogy az érzés intenzitása arányos az inger intenzitásának logaritmusával [25] - a hang erősségével [26] , a fény fényerősségével .

Fitts törvénye : minél távolabbra vagy pontosabban hajtjuk végre a test mozgását, annál több korrekcióra van szükség a végrehajtásához, és minél hosszabb ideig hajtják végre ezt a korrekciót [27] .

A döntés meghozatalának ideje egy választás jelenlétében a Hick-törvény [28] szerint becsülhető meg .

Jegyzetek

  1. Mortimer, Robert G. Matematika a fizikai kémiához  . — 3. - Academic Press , 2005. - P. 9. - ISBN 0-125-08347-5 . , Kivonat a 9. oldalból Archiválva : 2016. június 24. a Wayback Machine -nél
  2. Algebra és az elemzés kezdete. Tankönyv 10-11 évfolyamnak. 12. kiadás, Moszkva: Enlightenment, 2002. o. 233.
  3. Vygodsky M. Ya. Handbook of elementary mathematics, 1978 , p. 187.
  4. Korn G., Korn T. Matematika kézikönyve, 1973 , p. 34.
  5. Vygodsky M. Ya. Handbook of elementary mathematics, 1978 , p. 189..
  6. 1 2 3 Logaritmikus függvény. // Matematikai enciklopédia (5 kötetben) . - M . : Szovjet Enciklopédia , 1982. - T. 3.
  7. Fikhtengolts G. M. A differenciál- és integrálszámítás tanfolyama, 1966 , I. kötet, 159-160.
  8. Sasaki T., Kanada Y. Gyakorlatilag gyors, többszörös pontosságú log(x  ) kiértékelés  // Journal of Information Processing. - 1982. - 1. évf. 5 , iss. 4 . - 247-250 .
  9. Ahrendt, Timm. Az exponenciális függvény gyors számításai. Számítástechnikai  előadásjegyzet (neopr.) . - 1999. - T. 1564 . - S. 302-312 . - doi : 10.1007/3-540-49116-3_28 .
  10. Fikhtengolts G. M. A differenciál- és integrálszámítás tanfolyama, 1966 , I. kötet, 164. o.
  11. Rudio F. A kör négyzetesítéséről (Archimedes, Huygens, Lambert, Legendre). - Szerk. 3. - M. - L. : OGIZ, 1936. - S. 89. - 237 p. - ( A természettudomány klasszikusai ).
  12. Cajori, Flórián. A matematika története, 5. kiadás  (határozatlan idejű) . - AMS Könyvesbolt, 1991. - P. 152. - ISBN 0821821024 .
  13. Flashman, Martin. Integrálok becslése polinomok segítségével . Hozzáférés dátuma: 2011. június 30. Az eredetiből archiválva : 2012. február 11.
  14. A 17. század matematikája // A matematika története / Szerk.: A. P. Juskevics , három kötetben. - M . : Nauka, 1970. - T. II. - S. 63.
  15. JJ O'Connor és E. F. Robertson. Az e szám . A MacTutor Matematikatörténeti archívuma (2001. szeptember). Hozzáférés dátuma: 2011. június 30. Az eredetiből archiválva : 2012. február 11.
  16. 1 2 Matematika története, III. kötet, 1972 , p. 325-328..
  17. Rybnikov K. A. A matematika története. Két kötetben. - M . : Szerk. Moszkvai Állami Egyetem, 1963. - T. II. - S. 27, 230-231 ..
  18. 1 2 Korn G., Korn T. Matematika kézikönyve, 1973 , p. 623..
  19. Sveshnikov A. G., Tikhonov A. N. Egy komplex változó függvényeinek elmélete, 1967 , p. 45-46, 99-100..
  20. Derbyshire, John. Egyszerű megszállottság. Bernhard Riemann és a matematika legnagyobb megoldatlan problémája. - Astrel, 2010. - 464 p. — ISBN 978-5-271-25422-2 .
  21. ↑ Weisstein , Eric W. Log-Series Distribution  . matematikai világ. Letöltve: 2012. április 26. Az eredetiből archiválva : 2012. május 11..
  22. Logaritmikusan normális eloszlás // Mathematical Encyclopedia (5 kötetben) . - M . : Szovjet Enciklopédia , 1982. - T. 3.
  23. Maximum likelihood módszer // Mathematical Encyclopedia (5 kötetben) . - M . : Szovjet Enciklopédia , 1982. - T. 3.
  24. Ivanov M. G. Méret és méret // "Lehetőség", 2006. augusztus.
  25. Golovin S. Yu. WEBER-FECHNER JOG // Egy gyakorlati pszichológus szótára . Letöltve: 2012. április 17. Az eredetiből archiválva : 2013. június 11..
  26. Irina Aldoshina. A pszichoakusztika alapjai  // Hangmérnök. - 1999. - Kiadás. 6 . Archiválva az eredetiből 2012. április 24-én.
  27. Fitts törvénye // Pszichológiai enciklopédia (elérhetetlen link) . Letöltve: 2012. április 17. Az eredetiből archiválva : 2012. május 27.. 
  28. Welford, A. T. A készség alapjai . - London: Methuen, 1968. -  61. o . - ISBN 978-0-416-03000-6 .

Irodalom

Linkek