Логарифмическая функция в математике с примерами решения и образцами выполнения

Оглавление:

Пример:

Найти положительный корень уравнения Логарифмическая функция

( По определению арифметического корня имеем- Логарифмическая функция

Пример:

Решить уравнение Логарифмическая функция

Запишем данное уравнение так: Логарифмическая функция откуда х = 4. В задаче 1 неизвестным является основание степени, а в задаче 2 — показатель степени; Способ решения задачи 2 состоял в том, что левую и правую части уравнения удалось представить в виде степени с одним тем же основанием 3. Но уже, например, уравнение Логарифмическая функция таким способом решить не удается. Однако вы знаете, что это уравнение имеет корень. Чтобы уметь решать такие уравнения, вводите понятие логарифма числа.

Уравнение Логарифмическая функция , где а > 0 , а , имеет единственный корень. Этот корень называют ло-1
гарифмом числа b по основанию а и обозначают . Например
корнем уравнения Логарифмическая функция является число 4, т. е.

Лаплас Пьер Симон (1749— 1827)— французский математик, физик и астроном, адъюнкт Французской Академии Наук. После Великой Французской революции принимал активное участие в реорганизации системы образования. Важнейшие направления его исследований — математика, небесная механика и математическая физика. Один из создателей теории вероятностей.

Итак, логарифмом положительного числа b по основанию а, где
а > 0, Логарифмическая функция , называется показатель степени, и которую надо возвести число а, чтобы получить b .
Например, так как

так как Логарифмическая функция так как

так как Логарифмическая функция

Определение логарифма можно кратко записать так:

Это равенство справедливо при b > 0, а > 0, Логарифмическая функция . Его обычно
называют основным логарифмическим тождеством.
Например,

С помощью основного логарифмического тождества можио
показать, например, что Логарифмическая функция является корнем уравнения

В самом деле, Логарифмическая функция

Действие нахождения логарифма числа называют логарифмированием.

Пример:

Вычислить Логарифмическая функция

Обозначим Логарифмическая функция По определению логарифма

Так как Логарифмическая функция то ,

откуда Логарифмическая функция
Ответ.

Пример:

Вычислить Логарифмическая функция

Используя свойства степени и основное логарифмическое равенство, находим:

Пример:

Решить уравнение Логарифмическая функция

Но определению логарифма Логарифмическая функция откуда х = — 8.

Пример:

При каких значениях х существует Логарифмическая функция

Так как основание логарифма 5 > 0 и Логарифмическая функция то данный логарифм
существует тогда и только тогда, когда

Получено неравенство, находим 1 < х < 2.

Свойства логарифмов

При выполнении преобразований выражений, содержащих логарифмы, при вычислениях и при решении уравнений часто используются различные свойства логарифмов. Рассмотрим основные из них.

Пусть а>0, Логарифмическая функция , b > 0, с > 0, r —любое действительное число. Тогда справедливы формулы:

По основному логарифмическому тождеству

1) Перемножая равенства (4) и (5), получаем:

Логарифмическая функция

откуда по определению логарифма Логарифмическая функция

Формула (1) доказана.

2) Разделив равенства (4) и (5), получим:

откуда по определению логарифма следует формула (2).
3) Возводя основное логарифмическое тождество Логарифмическая функция
в степень с показателем r, получаем:

откуда по определению логарифма следует формула (3). •
Приведем примеры применения формул (1) — (3):

Пример:

Вычислить Логарифмическая функция
Применяя формулы (1) — (3), находим:

Десятичные и натуральные логарифмы

Для логарифмов чисел составлены специальные таблицы
(таблицы логарифмов). Логарифмы вычисляют также с помощью
микрокалькулятора. И в том и в другом случае находятся только
десятичные или натуральные логарифмы.

Десятичным логарифмом числа называют логарифм этого числа по основанию 10 и пишут lg b вместо Логарифмическая функция

Натуральным логарифмом числа называют логарифм этого числа по основанию e, где е — иррациональное число, приближенно равное 2,7. При этом пишут ln e вместо Логарифмическая функция

Иррациональное число е играет важную роль в математике
и ее приложениях. Число е можно представить как сумму:

Вычисление числа е на микрокалькуляторе проводится по
программе:

Вычисления на микрокалькуляторе lg b и ln b проводятся
соответственно по программам:

Например, вычисляя lg 13, получаем:

вычисляя ln 13, получаем:

Оказывается, что достаточно знать значения только десятичных или только натуральных логарифмов чисел, чтобы находить
логарифмы чисел по любому основанию. Для этого используется
формула перехода от логарифма по одному основанию к
логарифму по другому основанию:

где b > 0, а > 0 , Логарифмическая функция , с > 0 ,

Докажем справедливость формулы (1).
Запишем основное логарифмическое тождество Логарифмическая функция
Возьмем от обеих его частей логарифмы по основанию с:

Используя свойство логарифма степени, получаем:

Из формулы (1) при с = 10 и с = е получаются формулы
перехода к десятичным и натуральным логарифмам:

Пример:

С помощью микрокалькулятора МК-54 вычислить Логарифмическая функция

1) С помощью десятичных логарифмов:

2) С помощью натуральных логарифмов:

Ответ. Логарифмическая функция ▲

Формула перехода от одного основания логарифма к другому
иногда используется при решении уравнений.

Пример:

Решить уравнение Логарифмическая функция

По формуле перехода

Поэтому уравнение принимает вид Логарифмическая функция откуда ▲

Пример:

Двухпроцентный вклад в Сбербанк, равный
а рублям, через п лет становится равным Логарифмическая функция а
трехпроцентный вклад становится равным

Через сколько лет каждый из вкладов удвоится?

1) Для первого вклада Логарифмическая функция откуда

2. Вычисления проведем на МК-54:

2) Для второго вклада Логарифмическая функция и программа вычислений
такова:

Ответ. По первому вкладу приближенно через 36 лет, а
по второму — через 23,5 года.

Логарифмическая функция и ее график

В математике и ее приложениях часто встречается
логарифмическая функция

где а — заданное число, а > 0, .
Логарифмическая функция обладает следующими свойствами:
1) Область определения логарифмической функции — множество всех положительных чисел.
Это следует из определения логарифма, так как выражение Логарифмическая функция ; имеет смысл только при x > 0.

2) Множество значений логарифмической функции — множество R всех действительных чисел.
Это следует из того, что для любого действительного числа
b есть такое положительное число х, что Логарифмическая функция , т. е. уравнение имеет корень. Такой корень существует и равен так как

3) Логарифмическая функция является возрастающей на промежутке x > 0, если а > 1 , и убывающей, если
0 < а < 1 .

Пусть а > 1. Докажем, что если Логарифмическая функция то т. е.

Пользуясь основным логарифмическим
тождеством, условие Логарифмическая функция можно записать так: Из этого неравенства по свойству степени с основанием a > 1 следует, что

Пусть 0 < a < 1 . Докажем, что если Логарифмическая функция то Записав условие в виде получим так как 0 < а < 1 .

4) Если а > 1, то функция принимает положительные значения при х >1, отрицательные — при 0 < x < ;1. Если 0 < а < 1 , то функция Логарифмическая функция принимает положительные значения при 0 < x < 1, отрицательные — при х > 1.

Это следует из того, что функция принимает
значение, равное нулю, при x = 1 и является возрастающей на промежутке x > 0, если а > 1, и убывающей, если 0 < а < 1 .

Из рассмотренных свойств логарифмической функции Логарифмическая функция следует, что ее график расположен правее оси Оу и имеет вид, указанный на рисунке 7, если а > 1, и на рисунке 8, если 0 < a < 1 .

На рисунке 9 изображен график функции Логарифмическая функция а на рисунке 10 — график функции

Отметим, что график любой логарифмической функции Логарифмическая функция проходит через точку ( 1 ; 0). При решении уравнений часто используется следующая теорема:

Теорема:

Если Логарифмическая функция где a > 0, , то

Предположим, что Логарифмическая функция например Если a > 1, то из неравенства следует, что если
0 < а < 1 , то из неравенства следует, что

В обоих случаях получилось противоречие с условием Логарифмическая функция Следовательно,

Пример:

Решить уравнение Логарифмическая функция

Используя доказанную теорему, получаем Зх — 2 = 7, откуда Зх = 9,
х = 3.
Пример:

Решить неравенство Логарифмическая функция

Пользуясь тем, что Логарифмическая функция запишем данное неравенство так: Так как функция определена при x > 0 и возрастает, то неравенство выполняется при х > 0 и x < 8.
Ответ. 0 < х < 8 .

Пример:

Решить неравенство Логарифмическая функция

Запишем данное неравенство так: Логарифмическая функция

Функция Логарифмическая функция определена при и убывает, поэтому неравенство выполняется при х > 0 и

Ответ. Логарифмическая функция

Обратная функция

Известно, что зависимость скорости v от времени t движения
тела, брошенного вверх с начальной скоростью Логарифмическая функция выражается
формулой

Из этой формулы можно найти обратную зависимость — времени от скорости: Логарифмическая функция Функцию называют обратной к функции а функцию v (t) — обратной к функции t (v ). Отметим, что в этом примере каждому значению t соответствует единственное значение v и, наоборот, каждому значению v соответствует единственное значение t.

Рассмотрим теперь показательную и логарифмическую
функции. Обозначим символом f(х) показательную функцию,
a g (х) — логарифмическую функцию:

где а — заданное число, а > 0, Логарифмическая функция .

Решим уравнение Логарифмическая функция относительно х. По определению
логарифма Поменяв в этом равенстве местами х и у,
получим логарифмическую функцию Функцию называют обратной к функции Логарифмическая функция Если из равенства найти х, то получим , а поменяв местами х и у — показательную функцию Функцию называют обратной к функции . Поэтому функции f (х) и g (х) называют взаимно обратными.

Вообще если функция y = f(x) задана формулой, то для
нахождения обратной функции нужно решить уравнение
f (x) = у относительно х и затем поменять местами х и у.

Если уравнение f(x)= y имеет более чем один корень, то
функции, обратной к y = f (x), не существует.

Например, функция Логарифмическая функция не имеет обратной, так как
уравнение имеет два корня для любого
у > 0.
Если функцию рассматривать только на промежутке , то она будет иметь обратную Логарифмическая функция так как уравнение при имеет только один неотрицательный корень.

Пример:

Найти функцию, обратную к функции Логарифмическая функция

Решая это уравнение относительно х, получаем Логарифмическая функция
Заменив х на у и у на х, находим

В этой задаче область определения функции есть
множество действительных чисел, не равных 2, а множество ее значений — все действительные числа, не равные 0. График этой
функции изображен на рисунке 11.
Для обратной функции Логарифмическая функция область определения —
множество действительных чисел, не равных 0, а множество значений — все действительные числа, не равные 2. График обратной функции изображен на рисунке 12.

Вообще область определения обратной функции совпадает
с множеством значений исходной функции, а множество
значений обратной функции совпадает с областью определения
исходной функции.
Можно показать, что если функция имеет обратную, то
график обратной функции симметричен графику данной
функции относительно прямой у = х.
Примеры графиков взаимно обратных функций показаны на
рисунке 13.

Логарифмические уравнения

Пример:

Решить уравнение

( 1 )

Предположим, что х — такое число, при котором равенство ( 1 ) является верным, т. е. х — корень уравнения ( 1 ).
Тогда по свойству логарифма верно равенство

Из этого равенства по определению логарифма получаем:

откуда Логарифмическая функция т. е.

Последнее равенство верно, если Логарифмическая функция или

Итак, предположив, что число х — корень уравнения (1),
мы показали, что х может быть равным или 1, или —5.
Проверим, являются ли эти числа корнями уравнения (1).
Подставляя в левую часть данного уравнения х = 1 , получаем

т. е. х = 1 — корень уравнения ( 1 ).

При х = — 5 числа х + 1 и х + З отрицательны, и поэтому
левая часть уравнения ( 1 ) не имеет смысла, т. е. х = — 5 не
является корнем этого уравнения.
Ответ. х = 1 .

Заметим, что х = — 5 является корнем уравнения (2), так
как

Получилось, что число х = 1 является корнем обоих уравнений
( 1 ) и (2), а число х = — 5 не является корнем уравнения (1 ), но является корнем уравнения (2). Таким образом, при переходе от уравнения (1) к уравнению (2 ) корень х = 1 сохранился и появился посторонний корень х = —5. В этом случае уравнение (2) называют следствием уравнения (1 ).

Если все корни первого уравнения являются корнями второго уравнения, то второе уравнение называется следствием первого уравнения.

Отметим, что в уравнении, которое является следствием
данного, не всегда появляются посторонние корни; важно лишь
то, чтобы корни исходного уравнения не терялись.

В большинстве случаев, как и в задаче 1, уравнения решаются постепенным переходом к более простым уравнениям,
которые являются следствием исходного уравнения. В таких
случаях после нахождения корней необходима их проверка.

Пример:

Решить уравнение

Перенесем логарифм из правой части в левую;

откуда

Решая это уравнение, получаем Логарифмическая функция

Число Логарифмическая функция не является корнем исходного уравнения, так
как при x = 5 левая и правая части уравнения теряю т смысл.
Проверка показывает, что число х = — 1 является корнем
исходного уравнения.
Ответ. х = — 1. ▲

Пример:

Решить уравнение

По свойству логарифмов

откуда

Логарифмическая функция Проверка показывает, что оба значения x
являются корнями исходного уравнения.
Ответ. ▲

Проверкой можно убедиться в том, что числа Логарифмическая функция являются корнями не только уравнений (6) и (3), но и уравнений
(4) и (5). Все эти уравнения других корней не имеют. Такие
уравнения называют равносильными.

Уравнения, имеющие одно и то же множество корней,
называют равносильными.
В частности, два уравнения, не имеющие корней, являются
равносильными.

Отметим, что любое из двух равносильных уравнений является следствием другого.
Большинство уравнений, с которыми вы встречались в курсе
алгебры, решались с помощью перехода от данного уравнения
к равносильному. Так решались уравнения первой степени с
одним неизвестным, квадратные уравнения, показательные
уравнения.

Напомним, что уравнение заменяется ему равносильным при
следующих преобразованиях:
любой член уравнения можно переносить из одной части
в другую, изменив его знак на противоположный;
обе части уравнения можно умножить или разделить на
одно и то же число, не равное нулю.

Однако не при любом преобразовании уравнение заменяется
на равносильное. Например, при возведении обеих частей
уравнения Логарифмическая функция в квадрат получается уравнение , которое является следствием первого, но не равносильным ему. Поэтому после решения второго уравнения необходимо проверить, являются ли его корни корнями исходного уравнения.

Пример:

Решить уравнение

Приравнивая выражения, стоящие под знаком логарифма,
получаем:

откуда х = — 2. Выполняя проверку, убеждаемся, что при х = — 2
левая и правая части исходного уравнения не имеют смысла.
Ответ. Корней нет.

Здесь посторонний корень появился потому, что при переходе
от равенства логарифмов к равенству чисел не было учтено
требование, чтобы эти числа были положительными.
Рассмотренные примеры логарифмических уравнений
показывают, что при их решении с использованием свойств логарифмов получаются уравнения, которые являются следствиями исходного. Поэтому необходима проверка, которая позволяет
обнаружить посторонние корни. ▲

Пример:

Решить уравнение

Преобразуем данное уравнение:

Приравнивая каждый из множителей левой части уравнения
к нулю, получаем:

Проверка показывает, что оба значения х являются корнями
исходного уравнения.
Ответ. Логарифмическая функция

Отметим, что если обе части уравнения (7) разделить на
выражение Логарифмическая функция то будет потерян корень х = 1.

Вообще при делении обеих частей уравнения на выражение, содержащее неизвестное, может произойти потеря корней.
Поэтому уравнение, обе части которого содержат общий
множитель, решают переносом всех членов в одну часть и
разложением на множители.

При решении уравнений главное не потерять корни, а наличие посторонних корней можно установить проверкой. Поэтому важно следить за тем, чтобы при преобразовании уравнения каждое следующее уравнение было следствием предыдущего.

Пример:

Решить систему уравнений

Из первого уравнения выразим х через Логарифмическая функция Подставив х = 2у во второе уравнение системы,

получим откуда

Найдем значения х : Логарифмическая функция Проверкой убеждаемся,
что — решение системы, а ( — 4; —2) — постороннее
решение.
Ответ.

Логарифмические неравенства

При изучении логарифмической функции рассматривались
неравенства вида Логарифмическая функция и

Приведем примеры решения более сложных логарифмических неравенств. Обычный способ решения таких неравенств заключается в переходе от них к более простому неравенству или системе неравенств, имеющей то же самое множество решений.

Пример:

Решить неравенство

Правая часть данного неравенства имеет смысл при всех значениях x, а левая часть — при x + 1 > 0, т. е. при х > — 1.
Промежуток х > — 1 называют областью определения неравенства (1). Так как логарифмическая функция с основанием
10 возрастающая, то неравенство ( 1 ) при условии x + 1 > 0
выполняется, если Логарифмическая функция (так как 2 = lg 100). Таким
образом, неравенство ( 1 ) равносильно системе неравенств

т. е. неравенство ( 1 ) и система (2) имеют одно и то же множество решений. Решая систему (2), находим Логарифмическая функция

Пример:

Решить неравенство

Логарифмическая функция определена при положительных значениях аргумента, поэтому левая часть неравенства имеет смысл при х — 3 > 0 и х — 2 > 0.

Следовательно, областью определения этого неравенства является промежуток х > 3 . По свойствам логарифма неравенство (3)
при х > 3 равносильно неравенству

Логарифмическая функция с основанием 2 возрастающая. Поэтому при х > 3 неравенство (4) выполняется, если Логарифмическая функция

Таким образом, исходное неравенство (3) равносильно системе неравенств

Решая первое неравенство этой системы, получаем Логарифмическая функция откуда

Совмещая этот отрезок с промежутком х > 3 , получаем Логарифмическая функция (рис. 14).

Пример:

Решить неравенство

Область определения неравенства находится из условия

Неравенство (5) можно записать в следующем виде:

Так как логарифмическая функция с основанием Логарифмическая функция является
убывающей, то для всех х из области определения неравенства
получаем:

Таким образом, исходное неравенство (5) равносильно системе неравенств

Решая первое квадратное неравенство, получаем х < — 4, х > 2 (рис. 15). Решая второе квадратное неравенство, получаем Логарифмическая функция (рис. 16). Следовательно, оба неравенства систе
мы выполняются одновременно при и при . (рис. 17).
Ответ.

Определение:

Логарифмом числа а по основанию b называется показатель степени, в которую надо возвести а, чтобы получить число b.

В качестве основания мы будем всегда брать положительное число а, отличное от 1.

В записи b = Логарифмическая функция число а является основанием степени, t — показателем, b — степенью. Число t — это показатель степени, в которую надо возвести основание а, чтобы получить число b. Следовательно, t — это логарифм числа b по основанию а:

Можно сказать, что формулы Логарифмическая функция = b и t = равносильны, выражают одну и ту же связь между числами a, t и b (при а>0, а ≠ 1, b>0). Число t — произвольно, никаких ограничений на показатель степени не накладывается.

Подставляя в равенство Логарифмическая функция = b запись числа t в виде логарифма, получаем равенство, называемое основным логарифмическим тождеством:

Представляя в равенстве Логарифмическая функция выражение b в виде степени, получим еще одно тождество:

Свойства логарифмов

Теорема:

Верны следующие тождества, выражающие свойства логарифмов:

1) Логарифмическая функция , т. е. логарифм произведения равен сумме логарифмов множителей;

2) Логарифмическая функция т. е. логарифм дроби равен разности логарифмов числителя и знаменателя;

3) Логарифмическая функция т. е. логарифм степени равен показателю степени, умноженному на логарифм основания.

Доказательство:

Свойства логарифмов выводятся из свойств степеней с помощью основного логарифмического тождества, выражающего определение логарифма. Выведем для примера первое свойство.

Обозначим Логарифмическая функция По основному логарифмическому тождеству имеем:

Перемножим эти равенства: Логарифмическая функция По свойству степеней

По определению логарифма t1+ t2 = Логарифмическая функция т. е. что и требовалось доказать. Свойства 2 и 3 выведите самостоятельно.

Свойства степеней и логарифмов тесно связаны между собой. Они фактически выражают одно и то же, только один раз мы обращаем внимание на поведение самих степеней, а другой — на поведение показателей:

С помощью свойств логарифмов можно логарифмировать выражения, составленные с помощью операций умножения, деления и возведения в степень.
Примеры.

Иногда приходится искать выражение по его логарифму. Такую операцию называют потенцированием.

Примеры:

Замечание. Запись Логарифмическая функция имеет смысл лишь при b> 0. Поэтому в тождествах, отражающих свойства логарифмов, все выражения, стоящие под знаком логарифма, будем считать положительными. При логарифмировании буквенных выражений надо их раскладывать на множители так, чтобы все множители были положительны. Например, пусть необходимо прологарифмировать выражение А=х(х — 1). Сделать это можно лишь тогда, когда А >0, т. е. когда либо х<0, либо х> 1. Если х> 1, то оба множителя х и х— 1 положительны и мы можем записать:

Если же х<0, то оба множителя отрицательны и А нужно разложить на множители так: А =( — x)(1 — x), откуда

Аналогично Логарифмическая функция при ( —x) при x<0. С помощью модуля это можно записать короче:

Модуль перехода

В вычислениях в качестве основания а часто берется число а=10. В то же время зачастую необходимы вычисления степеней и логарифмов с разными основаниями. Возникает вопрос: как связать между собой степени и логарифмы с разными основаниями?

Пусть дана степень b = Логарифмическая функция . Мы хотим перейти к новому основанию с, т. е. записать число в виде сх при некотором х. Записав равенство и прологарифмировав его по основанию а, получим Логарифмическая функция , откуда Так как = b, = b, то можно с помощью логарифмов записать: , , откуда

Выведенную формулу называют формулой перехода от одного основания логарифма к другому.

Таким образом, мы видим, что при изменении основания значения логарифмов изменяются пропорционально. Коэффициент пропорциональности Логарифмическая функция называют модулем перехода.

Отметим простые следствия выведенной формулы:

1) Логарифмическая функция (положим в формуле перехода b = а)

2) Логарифмическая функция (положим в формуле перехода с = аk)

3) Логарифмическая функция (положим в предыдущей формуле k=-l).

С помощью логарифмов все степени можно привести к одному основанию. Если в качестве основания берется число a =10, то соответствующие логарифмы обозначаются знаком lg и называются десятичными. Можно записать:

Если в качестве основания берется число е, то соответствующие логарифмы обозначаются знаком ln и называются натуральными:

Значения модулей перехода от десятичных логарифмов к натуральным и наоборот таковы:

Исследование логарифмической функции

Определение:

Логарифмической функцией называется функция вида Логарифмическая функция

Напомним, что в качестве основания логарифмов выбирается число а> 0, отличное от 1.

Основные свойства логарифмической функции (схема X).

1) Область определения: множество всех положительных чисел, т. е. промежуток (0; + ∞).
2) Монотонность: если а>1, то логарифмическая функция строго возрастает; если 0<а<1, то она строго убывает.
3) Область значений: множество всех вещественных чисел R.

Так как определение логарифмов основано на понятии степени,

то при доказательстве свойств логарифмической функции используют свойства показательной функции.

Свойство 1 в доказательстве не нуждается: оно опирается на определение логарифма числа х, по которому необходимо, чтобы число х было положительным.

Докажем свойство 2. Для этого сначала рассмотрим случай а>1. Возьмем два положительных числа х1 и x2, такие, что x1 <x2, и докажем, что Логарифмическая функция Обозначив первое из этих чисел через t1, второе — через t2, по определению логарифма получим

Если бы выполнялось неравенство t1 ≥ t2, то по свойству монотонности показательной функции выполнялось бы неравенство т. е. Логарифмическая функция Это противоречит условию.

Следовательно, t1<t2, что и требовалось доказать. Случай 0<а<1 рассматривается аналогично.

Свойство 3 утверждает, что всякое вещественное число t может быть логарифмом некоторого числа х. Так как степень Логарифмическая функция определена при любом t, то, взяв х =, получим что и требовалось доказать.

Графики логарифмических функций при различных основаниях показаны на рисунке 108.

Графики функций Логарифмическая функция симметричны друг другу относительно прямой у = х. Действительно, если точка Р {с; d) лежит на графике функции у = ах, то d = ac. Но тогда и точка Q {d; с) лежит на графике функции Логарифмическая функция

Так как точки Р (с; d) и Q (d; с) симметричны относительно прямой у = х (рис. 109), то симметричны и графики показательной и логарифмической функций.

Вместо логарифмических функций с произвольным основанием удобно рассматривать функции вида у = с ln х. Так как Логарифмическая функция то указанные функции исчерпывают все логарифмические функции.

Функция у = ln х растет с ростом х, однако медленнее, чем любая степенная функция вида Логарифмическая функция (k>0), в частности медленнее, чем (схема IX).

Производная логарифмической функции

Рассмотрим две функции у = Логарифмическая функция и у = ln х. Мы знаем, что их графики симметричны относительно прямой у = х. Это поможет нам найти производную логарифмической функции, зная производную экспоненты. Возьмем точку Р (с; d) на графике экспоненты (т. е. d = ec) и симметричную точку Q (d; с) на графике логарифмической функции (т. е. c = lnd). Касательные к графикам в этих точках тоже будут симметричны (рис. 109). Угловой коэффициент k1 касательной к графику экспоненты равен значению производной функции у = ех при х = с, т. е. k1=ec, так как Логарифмическая функция

Пусть a1 и а2 — углы, образованные проведенными касательными с осью абсцисс. Из рисунка 109 ясно, что Логарифмическая функция

Так как

Таким образом, производная функции у = ln х в точке x = d равна Логарифмическая функция

Можно написать:

Мы видим, что производная логарифмической функции y = ln х равна степенной функции Логарифмическая функция . Интересно заметить, что функция не получается как производная какой-либо другой степенной функции вида у = схк. Действительно, хотя при любом к, но получить значение к— 1, равное —1, можно лишь при k = 0, а (x°)’ = 0.

Так как Логарифмическая функция то

По формулам производной показательной функции Логарифмическая функция и

Известно, что , Логарифмическая функция где k= ln а. Поэтому т. е.

Примеры:

Зная производные экспоненты и логарифма, можно получить приближенные формулы для их вычисления.

Пусть Логарифмическая функция

Разность Логарифмическая функция —это приращение у на отрезке [0; h]. Вычислив dy при хо = 0, получим dy = y’ (0) dx. Так как у’ = ех, то у'(0)= 1. Заменив ∆у на dy и подставив dx = h, получим приближенную формулу

Более точная формула для вычисления экспоненты такова:

Пусть теперь у =lnх. Выберем дго=1, xо = ln l =0. Положим dx = h и вычислим ln (l+h). Найдем dy при xo=1. Так как

(In то y’ (jc0)= 1 и dy= 1 •dx = h.

Заменяя ∆y= ln (1+h) — ln l = ln (l+h), получаем приближенную формулу

Более точная формула для вычисления логарифма такова:

Вычисление логарифмов

Более 300 лет логарифмы использовались для облегчения вычислений. Их основное достоинство — способность сводить умножение к сложению по формуле Логарифмическая функция

Были составлены обширные таблицы логарифмов чисел, с помощью которых можно легко переходить от чисел к их логарифмам и обратно.

Все таблицы логарифмов до 1950 г. являлись перепечаткой или сокращением таблиц Бриггса. Генри Бриггс (1561 —1630) с очень большой точностью (16 знаков после запятой) извлек подряд 57 квадратных корней из 10 и получил значения Логарифмическая функция

Комбинируя эти значения, он получил густую сетку чисел с известными десятичными логарифмами: Логарифмическая функция и т. п. После этого десятичный логарифм любого числа х из промежутка [1; 10] с хорошей точностью находится округлением до ближайшего известного.

Это огромная работа, и за 300 лет не нашлось никого, кто повторил бы ее. Любопытно, что немного раньше Бриггса таблицу натуральных логарифмов составил Джон Непер (1550—1617).

С появлением ЭВМ ситуация переменилась. Умножение по-прежнему выполняется дольше, чем сложение, но логарифмирование требует еще больше времени. Поиск числа в таблице очень дорогая операция для ЭВМ. Поэтому теперь значение логарифмов как инструмента вычисления резко упало, а с распространением калькуляторов оно сходит на нет. С другой стороны, сами по себе логарифмические зависимости легко обрабатываются и используются при вычислениях на ЭВМ. Например, формула xk = exp(k ln x) служит основным средством возведения в степень (кроме k= l, 2, 3) на всех ЭВМ и на калькуляторах.

На современных ЭВМ (и на калькуляторах) значения In х и Логарифмическая функция вычисляют, пользуясь заранее найденными приближенными формулами. По этим формулам вычисление логарифмов становится довольно простым. Пользователю ЭВМ никогда не приходится думать о вычислении логарифмов: на всех ЭВМ для этого имеются стандартные программы.

Прикладные примеры

Во вводной беседе мы уже говорили о том, что многие процессы описываются с помощью показательных функций. Почему так происходит, это мы обсудим в следующей главе, а сейчас приведем примеры зависимостей, в которых встречаются экспоненты и логарифмы.

Радиоактивный распад. Изменение массы радиоактивного вещества происходит по формуле , где m0 — масса вещества в начальный момент t = 0, m — масса вещества в момент времени t, Т — некоторая константа, смысл которой мы сейчас выясним.

Вычислим значение m при t — Т. Так, Логарифмическая функция

Это означает, что через время Т после начального момента масса радиоактивного вещества уменьшается вдвое. Поэтому число Т называют периодом полураспада. Период полураспада радия равен 1600 лет, урана-238 — 4,5 млрд. лет, цезия-137 —31 год, иода-131 —8 суток.

Закон радиоактивного распада часто записывают в стандартном виде Логарифмическая функция . Связь константы т с периодом полураспада нетрудно найти:

2. Рост народонаселения. Изменение количества людей в стране на небольшом отрезке времени с хорошей точностью описывается формулой Логарифмическая функция , где Nо — число людей при t= 0, N — число людей в момент времени t, а — некоторая константа.

Барометрическая формула. Давление воздуха убывает с высотой (при постоянной температуре) по закону Логарифмическая функция где ро — давление на уровне моря (А = 0), р — давление на высоте h, H — некоторая константа, зависящая от температуры. Для температуры 20 °С величина Н ≈ 7,7 км.

4. Формула Циолковского. Эта формула, связывающая скорость ракеты у с ее массой m, такова: Логарифмическая функция , где vr — скорость вылетающих газов, mо — стартовая масса ракеты. Скорость истечения газа при сгорании топлива vr невелика (в настоящее время она меньше или равна 2 км/с). Логарифм растет очень медленно, и, для того чтобы достичь космической скорости, необходимо сделать большим отношение Логарифмическая функция , т. е. почти всю стартовую массу отдать под топливо.

5. Коэффициент звукоизоляции стен измеряется по формуле Логарифмическая функция где po — давление звука до поглощения, р — давление звука, прошедшего через стену, А — некоторая константа, которая в расчетах принимается равной 20 дБ. Если коэффициент звукоизоляции D равен, например, 20 дБ, то это означает, что Логарифмическая функция =1 и po = 10 p, т. е. стена снижает давление звука в 10 раз (такую звукоизоляцию имеет деревянная дверь).

Дополнение к логарифмической функции

Смотрите также:

Предмет высшая математика

Тригонометрические функции. Радианная мера угла	Некоторые простые неявные функции
Показательная функция	Примеры и определения

Логарифмическая функция

Определение логарифма: Логарифмом числа N по данному основанию а называется такой показатель степени, в который надо возвести основание а, чтобы получить число N; запись Логарифмическая функция

Примеры:

Таким образом, Логарифмическая функция это другое название для показателя степени.

Примеры:

1. Проверить справедливость следующих равенств:

Решение:

Логарифмическая функция следовательно, равенства

б), г), е) верны; Логарифмическая функция следовательно, следовательно,

2.Следующие равенства переписать в виде логарифмических равенств: Логарифмическая функция

Решение:

Указать, какие из нижеследующих уравнений имеют решение. Запишите это решение с помощью логарифма: Логарифмическая функция

Решение:

а) Уравнение Логарифмическая функция можно переписать в вид откуда х = —6, или

б) Уравнение Логарифмическая функция также имеет решение Так как

в) Уравнение Логарифмическая функция не имеет решения (показательная функция не может принимать отрицательных значений). Таким образом, выражение не имеет смысла.

Десятичные логарифмы

Если основанием логарифмов служит число 10, то такие логарифмы называются десятичными. Десятичный логарифм числа N принято обозначать Логарифмическая функция

Примеры:

Найти десятичные логарифмы следующих чисел: Логарифмическая функция

Решение:

Так как Логарифмическая функция Аналогично: поэтому наконец,

2.Решить следующие уравнения:

Решение:

Функция Логарифмическая функция

Функция Логарифмическая функция является монотонно возрастающей, поэтому у нее есть обратная функция. Для того чтобы найти эту обратную функцию, поменяем в равенстве переменные х и у местами. Получим Логарифмическая функция откуда Этой формулой задается функция, обратная показательной функции Как отмечалось выше (см. стр. 118), графики взаимно обратных функций симметричны относительно прямой у = х—биссектрисы первого и третьего координатных углов (рис. 88). Отметим основные свойства функции Логарифмическая функция

1.Областью определения функции является множество всех положительных чисел.

2.Областью значений функции является множество всех действительных чисел.

Справедливость этих двух свойств вытекает из того факта, что функции Логарифмическая функция являются взаимно обратными и, следовательно, область определения и множество значений у них меняются местами.

3.Функция является монотонно возрастающей (большему числу соответствует больший логарифм).

4.При Логарифмическая функция (график пересекает ось абсцисс в точке (1; 0)); если то (рис. 88).

Примеры:

1. На рис. 89 изображен график функции Логарифмическая функция в случае, когда масштаб по оси Оу в 10 раз крупнее масштаба по оси Ох. Воспользовавшись этим графиком:

а) найти Логарифмическая функция б) найти х, если

Решение:

Логарифмическая функция не существует, так как

б) если Логарифмическая функция

Если Логарифмическая функция

2.Сравнить значения выражений: Логарифмическая функция

Решение:

а) Функция Логарифмическая функция возрастающая, значит, так как то, следовательно, б) так как в) так как

3.Решить уравнения и неравенства:

Решение:

Воспользовавшись изображенным на рис. 89 графиком функции Логарифмическая функция получим следующие результаты:

4.Найти область определения функции:

Решение:

При решении этих примеров надо помнить о том, что область определения функции Логарифмическая функция есть множество положительных чисел.

Логарифмическая функция Таким образом областью определения служит множество

Область определения —объединение двух множеств

Область определения —множество Логарифмическая функция

Логарифмическая функция Выражение, стоящее под знаком логарифма, положительно при всех значениях х, кроме х = 2 (при котором оно обращается в ноль), а поэтому область определения этой функции есть множество Логарифмическая функция

5.Решить уравнения:

Решение:

а) Так как Логарифмическая функция то уравнение можно переписать в виде Далее из свойства монотонности функции вытекает, что эта функция каждое значение принимает только один раз. Следовательно, Логарифмическая функция откуда х = 4.

Аналогично решаются и остальные уравнения;

Логарифмическая функция т.е. данное уравнение может быть записано в виде откуда

Логарифмическая функция поэтому откуда

Логарифмическая функция поэтому откуда или

Логарифмирование и потенцирование

Применение логарифмов позволяет во многих случаях значительно упростить вычисления. Чтобы убедиться в этом, прежде всего выясним, как находятся логарифмы произведения, частного, степени и корня.

Теорема:

Логарифм произведения любых двух положительных чисел равен сумме логарифмов множителей, т. е.

Доказательство:

Пусть Логарифмическая функция Тогда по определению логарифма Перемножив эти равенства почленно, получим

значит,

Предлагаем читателю самому доказать, что установленное свойство справедливо для любого числа положительных множителей.

Теорема:

Логарифм степени с положительным основанием равен произведению показателя степени и логарифма ее основания, т. е.

Доказательство:

Пусть Логарифмическая функция Тогда по определению логарифма Возведем обе части этого равенства в степень Следовательно,

Покажем, что знания этих теорем достаточно для нахождения логарифмов дроби и корня. Действительно, пусть дано выражение Логарифмическая функция где Это выражение можно переписать в виде тогда

Пусть теперь дано выражение Логарифмическая функция тогда Таким образом, если некоторое выражение составлено из положительных чисел с помощью операций умножения, деления, возведения в степень и извлечения корня, то его логарифм можно выразить через логарифмы входящих в него чисел. Такое преобразование называется логарифмированием. Действие, обратное логарифмированию, называется потенцированием.

Примеры:

1. Найти приближенные значения следующих логарифмов: Логарифмическая функция

Решение:

Прежде всего, воспользовавшись графиком функции Логарифмическая функция (см. рис. 89), выпишем приближенные значения следующих логарифмов:

Теперь имеем:

2.Прологарифмировать следующие выражения (буквами обозначены положительные числа):

Решение:

3.Решить уравнения:

Решение:

а) Прологарифмировав обе части данного равенства, получим Логарифмическая функция откуда (значения найдены графически с помощью рис. 89);

б) в результате логарифмирования имеем равенство Логарифмическая функция откуда (значение найдено с помощью рис. 89);

4.Найти x, если: Логарифмическая функция

Решение:

Логарифмическая функция

5.Решить уравнения:

Решение:

а) Потенцируя обе части равенства, получаем уравнение

Сделаем проверку. Подставив в уравнение найденное решение х = 21, получим:

Таким образом, корень данного уравнения x=21;

б) прежде чем потенцировать, заметим, что Логарифмическая функция и перепишем уравнение в виде

откуда

Сделаем проверку: Логарифмическая функция Итак, х= 14 —корень уравнения; в) потенцируя, получаем

откуда

Сделаем проверку. Корень Логарифмическая функция является посторонним, так как при этом значении x выражение 2х—4 будет отрицательным, а, как мы знаем, область определения логарифмической функции есть множество положительных чисел.

Корень x = 5, как легко видеть, удовлетворяет уравнению (Проверьте сами!);

г) уравнение Логарифмическая функция не имеет корней, так как искомое значение х должно удовлетворять системе неравенств

а эта система противоречива и решения не имеет.

Стандартный вид числа. Характеристика и мантисса

Любое положительное число х можно записать в так называемом стандартном виде: Логарифмическая функция Число n называется порядком числа х.

Примеры:

Записать следующие числа в стандартном виде и указать их порядок: а) 273; б) 51,83; в) 0,8912; г) 400012; д) 0,00051; е) 1,002.

Решение:

Легко видеть, что если Логарифмическая функция то порядок числа неотрицателен, причем трехзначное число, например 273, имеет порядок 2; а число, содержащее две цифры в целой части, например 51,83, имеет порядок n= 1; наконец, число, содержащее одну цифру в целой части, имеет порядок n= 0. Можно сделать следующий вывод: если число содержит в целой части m цифр, то его порядок будет Логарифмическая функция

Если же число Логарифмическая функция то его порядок отрицателен, причем равен числу нулей в x: до первой значащей цифры, включая ноль целых. Так, если x: = 0,8912, то n = —1; если х = 0,00051, то n = —4.

Пример:

Не переходя к стандартному виду записи, найти порядок чисел: а) х = 373,25; б) x: = 0,00085.

Решение:

а) Число 373,25 больше единицы и содержит в целой части три цифры. Следовательно, его порядок n= 2;

б) число 0,00085 меньше единицы и содержит четыре нуля до первой значащей цифры. Следовательно, n =—4.

Пусть х=375,8. Запишем это число в стандартном виде и найдем его логарифм:

Так как Логарифмическая функция т. е. Таким образом, представлен в виде суммы целого числа 2 и положительного числа, меньшего единицы т. е. в виде суммы его целой и дробной частей. Целая часть логарифма числа х равна порядку этого числа, а дробная часть равна Логарифмическая функция

Целая часть логарифма числа называется его характеристикой, а дробная часть — мантиссой.

Теорема:

Характеристика логарифма числа где равна порядку этого числа, т. е. n, а мантисса равна

Доказательство:

Пусть Логарифмическая функция и Тогда Так как Следовательно, причем

Следствие:

Логарифмы чисел, отличающихся друг от друга только порядком, имеют одну и ту же мантиссу.

Доказательство:

Пусть Логарифмическая функция где тогда

Таким образом,

Например, пусть Логарифмическая функция Запишем эти числа в стандартном виде и найдем их логарифмы:

Таким образом, доказанное следствие можно сформулировать иначе: мантисса логарифма числа не зависит от положения запятой в числе.

Примеры:

1. Найти характеристику логарифма числа а) 302;б) 87,5; в) 0,015.

Решение:

Как было доказано Выше, характеристика логарифма числа равна его порядку, а поэтому Логарифмическая функция

2.Зная, что Логарифмическая функция найти:

Решение:

Вычисления с помощью таблиц логарифмов

Как известно, характеристика логарифма числа легко находится устно (она равна порядку числа). Значения мантисс приведены в таблице «Четырехзначных математических таблиц» В. М. Брадиса. Приведем часть этой таблицы и укажем как ею пользоваться.

Примеры:

1. Найти логарифмы следующих чисел: Логарифмическая функция

Решение:

а) Характеристика Логарифмическая функция равна 1, так как Мантиссу найдем на пересечении строки с меткой «72» и столбца с меткой «4». Получаем число 8597. Значит, мантисса равна (приблизительно) 0,8597. Отсюда:

Для отыскания мантиссы мы, прочитав число 8739 на пересечении строки с меткой «74» и столбца с меткой «8», прибавим к этому числу поправку на четвертую цифру. Эта поправка расположена в правой части таблицы на пересечении той же строки и столбца поправок с меткой «5». Поправка равна 3, следовательно, мантисса равна Логарифмическая функция Таким образом,

Логарифмическая функция Для решения обратной задачи —нахождения числа по его логарифму пользуются таблицей, с которой мы уже знакомы (см. стр. 198)4

2.Найти x:, если: Логарифмическая функция

Решение:

а) По таблице значений функции Логарифмическая функция найдем число 1,077, соответствующее мантиссе равной 0,0324. Так как характеристика логарифма равна 2, то