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 ).
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 .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.
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:
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:
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 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 :
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.
Íme néhány hasznos korlát a logaritmusokkal kapcsolatban [10] :
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] .
Bár nincsenek klasszikus folytatólagos törtek a logaritmus ábrázolására , számos "általánosított tört" használható, beleértve:
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] .
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 számEzután 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.
Az előző három diagram szuperpozíciója
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 :
A prímszámok eloszlása aszimptotikusan követi az egyszerű törvényeket [20] :
Integrálok keresésekor és differenciálegyenletek megoldása során gyakran felmerülnek a logaritmusok . Példák:
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 .
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:
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.
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).
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 .
![]() |
---|