Википедия

Натуральный логарифм

Натуральный логарифмлогарифм по основанию e, где трансцендентная константа, равная приблизительно 2,718. Он обозначается как , или иногда просто , если основание подразумевается. Обычно число под знаком логарифма вещественное, но можно расширить это понятие и на комплексные числа.

image
Функция натурального логарифма (синяя кривая) обратна к экспоненте (красная кривая)
image
График функции натурального логарифма. Функция медленно приближается к положительной бесконечности при увеличении x и быстро приближается к отрицательной бесконечности, когда x стремится к 0

Из определения следует, что логарифмическая зависимость есть обратная функция для экспоненты , поэтому их графики симметричны относительно биссектрисы первого и третьего квадрантов (см. рисунок справа). Как и экспонента, логарифмическая функция относится к категории трансцендентных функций.

Натуральные логарифмы полезны для решения алгебраических уравнений, в которых неизвестная присутствует в качестве показателя степени, они незаменимы в математическом анализе.

В приложениях натуральный логарифм участвует в математическом описании таких процессов, в которых скорость изменения некоторого количества в каждый момент обратно пропорциональна самому количеству. Например, логарифмы используются для нахождения постоянной распада для известного периода полураспада радиоактивного вещества: чем больше атомов распадается, тем меньше их становится и тем медленнее идёт дальнейший процесс. Натуральные логарифмы играют важную роль во многих областях математики и прикладных наук, применяются в сфере финансов для решения различных задач, (например, нахождение сложных процентов).

Определение

Натуральный логарифм числа image — это показатель степени, в которую нужно возвести число e, чтобы получить image. Другими словами, натуральный логарифм image есть решение image уравнения image

Примеры:

image, потому что image;
image, потому что image.

Вещественный натуральный логарифм

image
image определяется как площадь под кривой image от image до image.

Натуральный логарифм image для вещественного числа image определён и однозначен для любого положительного числа image

Натуральный логарифм может быть также определён геометрически для любого положительного вещественного числа a как площадь под кривой image на промежутке image. Простота этого определения, которое согласуется со многими другими формулами, в которых применяется данный логарифм, объясняет происхождение названия «натуральный».

Свойства

Из определения логарифма следует основное логарифмическое тождество:

image

Приведём сводку формул в предположении, что все значения положительны:

Формула Пример
Произведение image image
Частное image image
Степень image image
Корень image image

Другие свойства:

  • Из равенства двух вещественных логарифмов следует равенство логарифмируемых выражений.
  • С возрастанием аргумента возрастает и логарифм: если image то image
  • image если image

Связь с логарифмами по другому основанию

Логарифм может быть определён для любого положительного основания, отличного от image, а не только для image, но логарифмы для других оснований отличаются от натурального логарифма только постоянным множителем.

Логарифм image по основанию image можно преобразовать в натуральный логарифм и обратно:

image
image

Связь десятичного (image) и натурального логарифмов:

image

Связь двоичного (image) и натурального логарифмов:

image

Логарифмическая функция

image
Графики логарифмических функций; красная кривая — натуральный логарифм

Если рассматривать логарифмируемое число как переменную, мы получим логарифмическую функцию image. Она определена при image. Область значений: image. Эта кривая часто называется логарифмикой. Из формулы замены основания логарифма видно, что графики логарифмических функций с разными основаниями, бо́льшими единицы, отличаются один от другого только масштабом по оси image; графики для оснований, меньших единицы, являются их зеркальным отражением относительно горизонтальной оси.

Функция является строго возрастающей, она непрерывна и неограниченно дифференцируема всюду в своей области определения.

Ось ординат (image) является вертикальной асимптотой, поскольку:

image

Производная натуральной логарифмической функции равна:

image

Простота этой формулы — одна из причин широкого использования именно натурального логарифма в анализе и при решении дифференциальных уравнений.

image
Натуральный логарифм равен площади под гиперболой

Проинтегрировав формулу для производной в интервале от image до image, мы получаем:

image

Другими словами, натуральный логарифм image равен площади под гиперболой image для указанного интервала image.

С точки зрения общей алгебры, логарифмическая функция осуществляет (единственно возможный) изоморфизм мультипликативной группы положительных вещественных чисел и аддитивной группы всех вещественных чисел. Другими словами, логарифмическая функция есть единственное (определённое для всех положительных значений аргумента) непрерывное решение функционального уравнения:

image

Аналитические свойства функции

Из формулы для производной натурального логарифма следует, что первообразная для гиперболы image имеет вид:

image

где image — произвольная константа интегрирования. Поскольку функция image состоит из двух ветвей (одна для положительных, другая для отрицательных image), семейство первообразных для image тоже состоит из двух подсемейств, причём константы интегрирования у них независимы одна от другой.

Неопределённый интеграл от натурального логарифма легко найти интегрированием по частям:

image

В математическом анализе и теории дифференциальных уравнений большую роль играет понятие логарифмической производной функции image:

image

Методы вычисления логарифма

Разложим натуральный логарифм в ряд Тейлора вблизи единицы:

Этот ряд, называемый «рядом Меркатора», сходится при image. В частности:

Формула ряда 1 непригодна для практического расчёта логарифмов из-за того, что ряд сходится очень медленно и только в узком интервале. Однако нетрудно получить из неё более удобную формулу:

Этот ряд сходится быстрее, а кроме того, левая часть формулы теперь может выразить логарифм любого положительного числа image, ибо тогда image по абсолютной величине меньше единицы. Данный алгоритм уже пригоден для реальных численных расчётов значений логарифмов, однако не является наилучшим с точки зрения трудоёмкости.

Для вычисления натурального логарифма с большим количеством цифр точности ряд Тейлора не является эффективным, поскольку его сходимость медленная. Альтернативой является использование метода Ньютона, чтобы инвертировать в экспоненциальную функцию, ряд которой сходится быстрее.

Альтернативой для очень высокой точности расчёта является формула::

image

где image обозначает арифметико-геометрическое среднее 1 и 4/s, и

image

m выбрано так, что p знаков точности достигается. (В большинстве случаев значение 8 для m вполне достаточно.) В самом деле, если используется этот метод, может быть применена инверсия Ньютона натурального логарифма для эффективного вычисления экспоненциальной функции. Константы ln 2 и пи могут быть предварительно вычислены до желаемой точности, используя любой из известных быстро сходящихся рядов.

Вычислительная сложность натуральных логарифмов (с помощью арифметико-геометрического среднего) равна O(M(n) ln n). Здесь n — число цифр точности, для которой натуральный логарифм должен быть оценен, а M(n) — вычислительная сложность умножения двух n-значных чисел.

Полезные пределы

Приведём несколько полезных пределов, связанных с логарифмами:

image
image
image
image
image

Трансцендентность

Из теоремы Линдемана — Вейерштрасса (1885) вытекает следующее следствие: если аргумент image есть алгебраическое число, отличное от единицы, то значение image есть не только иррациональное, но и трансцендентное число.

Непрерывные дроби

Хотя для представления логарифма отсутствуют классические непрерывные дроби, но можно использовать несколько «обобщённых непрерывных дробей», в том числе:

image
image

История

Впервые натуральные логарифмы в современном понимании появились в 1619 году, когда лондонский учитель математики Джон Спайдел переиздал логарифмические таблицы Непера, исправленные и дополненные так, что они фактически стали таблицами натуральных логарифмов. В 1649 году бельгийский математик Грегуар де Сен-Венсан показал, что площадь под гиперболой image меняется по логарифмическому закону, и предложил называть этот вид логарифмов «гиперболическим».

Термин «натуральный логарифм» ввели в употребление Пьетро Менголи (1659 год) и Николас Меркатор в фундаментальном труде «Logarithmotechnia» (1668). Там же Меркатор описал разложение натурального логарифма в «ряд Меркатора».

Первые попытки распространить логарифмы на комплексные числа предпринимали на рубеже XVII—XVIII веков Лейбниц и Иоганн Бернулли, однако создать целостную теорию им не удалось — в первую очередь по той причине, что тогда ещё не было ясно определено само понятие логарифма. Дискуссия по этому поводу велась сначала между Лейбницем и Бернулли, а в середине XVIII века — между Д’Аламбером и Эйлером. Бернулли и Д’Аламбер считали, что следует определить image, в то время как Лейбниц доказывал, что логарифм отрицательного числа есть мнимое число. Полная теория логарифмов отрицательных и комплексных чисел была опубликована Эйлером в 1747—1751 годах и по существу ничем не отличается от современной.

Комплексные логарифмы

Комплексный логарифманалитическая функция, получаемая распространением вещественного логарифма на всю комплексную плоскость (кроме нуля). В отличие от вещественного случая, функция комплексного логарифма многозначна.

Определение. Натуральный логарифм image комплексного числа image представляет собой решение image уравнения image

Ненулевое число image можно представить в показательной форме:

image где image — произвольное целое число

Тогда image находится по формуле:

image

Здесь image — вещественный логарифм. Отсюда вытекает:

Комплексный логарифм image существует для любого image, и его вещественная часть определяется однозначно, в то время как мнимая часть имеет бесконечное множество значений, различающихся на целое кратное image

Из формулы видно, что у одного и только одного из значений мнимая часть находится в интервале image. Это значение называется главным значением комплексного натурального логарифма. Соответствующая (уже однозначная) функция называется главной ветвью логарифма и обозначается image. Если image — вещественное число, то главное значение его логарифма совпадает с обычным вещественным логарифмом.

Логарифм отрицательного числа находится по формуле:

image

Примеры:

image
image
image

Следует быть осторожным при преобразованиях комплексных логарифмов, принимая во внимание, что они многозначны, и поэтому из равенства логарифмов каких-либо выражений не следует равенство этих выражений. Пример ошибочного рассуждения:

image — явная ошибка.

Отметим, что слева стоит главное значение логарифма, а справа — значение из нижележащей ветви (image). Причина ошибки — неосторожное использование свойства image, которое, вообще говоря, подразумевает в комплексном случае весь бесконечный набор значений логарифма, а не только главное значение.

Функция натурального логарифма комплексного числа может быть также определена как аналитическое продолжение вещественного логарифма на всю комплексную плоскость, кроме нуля. Пусть кривая image начинается в единице, заканчивается в z, не проходит через нуль и не пересекает отрицательную часть вещественной оси. Тогда главное значение логарифма в конечной точке image кривой image можно определить по формуле:

image

Некоторые применения

Теория чисел

Распределение простых чисел асимптотически подчиняется простым законам:

  1. Число простых чисел в интервале от 1 до image приблизительно равно image.
  2. k-е простое число приблизительно равно image.

Математический анализ

Логарифмы нередко возникают при нахождении интегралов и при решении дифференциальных уравнений. Примеры:

image

Теория вероятностей и статистика

В статистике и теории вероятностей логарифм входит в ряд практически важных вероятностных распределений. Например, логарифмическое распределение используется в генетике и физике. Логнормальное распределение часто встречается в ситуациях, когда исследуемая величина есть произведение нескольких независимых положительных случайных переменных.

Для оценки неизвестного параметра широко применяются метод максимального правдоподобия и связанная с ним логарифмическая функция правдоподобия.

Флуктуации при случайном блуждании описывает закон Хинчина-Колмогорова.

Фракталы и размерность

image
Треугольник Серпинского (справа)

Логарифмы помогают выразить размерность Хаусдорфа для фрактала. Например, рассмотрим треугольник Серпинского, который получается из равностороннего треугольника последовательным удалением аналогичных треугольников, линейный размер каждого из которых на каждом этапе уменьшается вдвое (см. рисунок). Размерность результата определяется по формуле:

image

Механика и физика

Принцип Больцмана в статистической термодинамике — одна из важнейших функций состояния термодинамической системы, характеризующая степень её хаотичности.

Формула Циолковского применяется для расчёта скорости ракеты.

Химия и физическая химия

Уравнение Нернста связывает окислительно-восстановительный потенциал системы с активностями веществ, входящих в электрохимическое уравнение, а также со стандартными электродными потенциалами окислительно-восстановительных пар.

Логарифм используется в определениях таких величин, как показатель константы автопротолиза (самоионизации молекулы) и водородный показатель (кислотности раствора).

Психология и физиология

Человеческое восприятие многих явлений хорошо описывается логарифмическим законом.

Закон Вебера — Фехнера — эмпирический психофизиологический закон, заключающийся в том, что интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности стимулагромкости звука, яркости света.

Закон Фиттса: чем дальше или точнее выполняется движение организма, тем больше коррекции необходимо для его выполнения и тем дольше эта коррекция исполняется.

Время на принятие решения при наличии выбора можно оценить по [англ.].

Примечания

  1. Mortimer, Robert G. Mathematics for physical chemistry (неопр.). — 3rd. — Academic Press, 2005. — С. 9. — ISBN 0-125-08347-5., Extract of page 9 Архивная копия от 24 июня 2016 на Wayback Machine
  2. Алгебра и начала анализа. Учебник для 10-11 классов. 12-е издание, М.: Просвещение, 2002. Стр. 233.
  3. Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике, 1978, с. 187.
  4. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике, 1973, с. 34.
  5. Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике, 1978, с. 189..
  6. Логарифмическая функция. // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1982. — Т. 3. Архивировано 16 октября 2013 года.
  7. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, 1966, Том I, стр. 159-160.
  8. Sasaki T., Kanada Y. Practically fast multiple-precision evaluation of log(x) (англ.) // Journal of Information Processing. — 1982. — Vol. 5, iss. 4. — P. 247—250. Архивировано 29 июля 2011 года.
  9. Ahrendt, Timm. Fast computations of the exponential function. Lecture notes in computer science (неопр.). — 1999. — Т. 1564. — С. 302—312. — doi:10.1007/3-540-49116-3_28.
  10. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, 1966, Том I, стр. 164.
  11. Рудио Ф. О квадратуре круга (Архимед, Гюйгенс, Ламберт, Лежандр). — Изд. 3-е. — М.Л.: ОГИЗ, 1936. — С. 89. — 237 с. — (Классики естествознания).
  12. Cajori, Florian. A History of Mathematics, 5th ed (неопр.). — AMS Bookstore, 1991. — С. 152. — ISBN 0821821024.
  13. Flashman, Martin. Estimating Integrals using Polynomials. Дата обращения: 30 июня 2011. Архивировано 11 февраля 2012 года.
  14. Математика XVII столетия // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. — М.: Наука, 1970. — Т. II. — С. 63.
  15. J J O'Connor and E F Robertson. The number e. The MacTutor History of Mathematics archive (сентябрь 2001). Дата обращения: 30 июня 2011. Архивировано 11 февраля 2012 года.
  16. История математики, том III, 1972, с. 325-328..
  17. Рыбников К. А. История математики. В двух томах. — М.: Изд. МГУ, 1963. — Т. II. — С. 27, 230—231..
  18. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике, 1973, с. 623..
  19. Свешников А. Г., Тихонов А. Н. Теория функций комплексной переменной, 1967, с. 45-46, 99-100..
  20. Дербишир, Джон. Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике. — Астрель, 2010. — 464 с. — ISBN 978-5-271-25422-2.
  21. Weisstein, Eric W. Log-Series Distribution (англ.). MathWorld. Дата обращения: 26 апреля 2012. Архивировано 11 мая 2012 года.
  22. Логарифмически нормальное распределение // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1982. — Т. 3. Архивировано 16 октября 2013 года.
  23. Максимального правдоподобия метод // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1982. — Т. 3. Архивировано 16 октября 2013 года.
  24. Иванов М. Г. Размер и размерность // «Потенциал», август 2006.
  25. Головин С. Ю. ЗАКОН ВЕБЕРА-ФЕХНЕРА // Словарь практического психолога. Дата обращения: 17 апреля 2012. Архивировано 11 июня 2013 года.
  26. Ирина Алдошина. Основы психоакустики // Звукорежиссёр. — 1999. — Вып. 6. Архивировано 24 апреля 2012 года.
  27. Закон Фиттса // Психологическая энциклопедия. Дата обращения: 17 апреля 2012. Архивировано из оригинала 27 мая 2012 года.
  28. Welford, A. T. Fundamentals of skill. — London: Methuen, 1968. — P. 61. — ISBN 978-0-416-03000-6.

Литература

  • Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. — М.: Наука, 1978.
    • Переиздание: АСТ, 2003, ISBN 5-17-009554-6.
  • Математика XVIII столетия // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. — М.: Наука, 1972. — Т. III.
  • Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). — М.: Наука, 1973. — 720 с.
  • Свешников А. Г., Тихонов А. Н. Теория функций комплексной переменной. — М.: Наука, 1967. — 304 с.
  • Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. — изд. 6-е. — М.: Наука, 1966. — 680 с.

Ссылки

  • "Разбираемся с натуральным логарифмом Архивная копия от 26 сентября 2013 на Wayback Machine" — перевод статьи Demystifying the Natural Logarithm (ln) | BetterExplained (англ.)

Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Натуральный логарифм, Что такое Натуральный логарифм? Что означает Натуральный логарифм?

Naturalnyj logarifm logarifm po osnovaniyu e gde e displaystyle e transcendentnaya konstanta ravnaya priblizitelno 2 718 On oboznachaetsya kak ln x displaystyle ln x loge x displaystyle log e x ili inogda prosto log x displaystyle log x esli osnovanie e displaystyle e podrazumevaetsya Obychno chislo x displaystyle x pod znakom logarifma veshestvennoe no mozhno rasshirit eto ponyatie i na kompleksnye chisla Funkciya naturalnogo logarifma sinyaya krivaya obratna k eksponente krasnaya krivaya Grafik funkcii naturalnogo logarifma Funkciya medlenno priblizhaetsya k polozhitelnoj beskonechnosti pri uvelichenii x i bystro priblizhaetsya k otricatelnoj beskonechnosti kogda x stremitsya k 0 Iz opredeleniya sleduet chto logarifmicheskaya zavisimost est obratnaya funkciya dlya eksponenty y ex displaystyle y e x poetomu ih grafiki simmetrichny otnositelno bissektrisy pervogo i tretego kvadrantov sm risunok sprava Kak i eksponenta logarifmicheskaya funkciya otnositsya k kategorii transcendentnyh funkcij Naturalnye logarifmy polezny dlya resheniya algebraicheskih uravnenij v kotoryh neizvestnaya prisutstvuet v kachestve pokazatelya stepeni oni nezamenimy v matematicheskom analize V prilozheniyah naturalnyj logarifm uchastvuet v matematicheskom opisanii takih processov v kotoryh skorost izmeneniya nekotorogo kolichestva v kazhdyj moment obratno proporcionalna samomu kolichestvu Naprimer logarifmy ispolzuyutsya dlya nahozhdeniya postoyannoj raspada dlya izvestnogo perioda poluraspada radioaktivnogo veshestva chem bolshe atomov raspadaetsya tem menshe ih stanovitsya i tem medlennee idyot dalnejshij process Naturalnye logarifmy igrayut vazhnuyu rol vo mnogih oblastyah matematiki i prikladnyh nauk primenyayutsya v sfere finansov dlya resheniya razlichnyh zadach naprimer nahozhdenie slozhnyh procentov OpredelenieNaturalnyj logarifm chisla a displaystyle a eto pokazatel stepeni v kotoruyu nuzhno vozvesti chislo e chtoby poluchit a displaystyle a Drugimi slovami naturalnyj logarifm ln a displaystyle ln a est reshenie x displaystyle x uravneniya ex a displaystyle e x a Primery ln e 1 displaystyle ln e 1 potomu chto e1 e displaystyle e 1 e ln 1 0 displaystyle ln 1 0 potomu chto e0 1 displaystyle e 0 1 Veshestvennyj naturalnyj logarifmln a displaystyle ln a opredelyaetsya kak ploshad pod krivoj f x 1x displaystyle f x frac 1 x ot 1 displaystyle 1 do a displaystyle a Naturalnyj logarifm ln a displaystyle ln a dlya veshestvennogo chisla a displaystyle a opredelyon i odnoznachen dlya lyubogo polozhitelnogo chisla a displaystyle a Naturalnyj logarifm mozhet byt takzhe opredelyon geometricheski dlya lyubogo polozhitelnogo veshestvennogo chisla a kak ploshad pod krivoj y 1x displaystyle y frac 1 x na promezhutke 1 a displaystyle 1 a Prostota etogo opredeleniya kotoroe soglasuetsya so mnogimi drugimi formulami v kotoryh primenyaetsya dannyj logarifm obyasnyaet proishozhdenie nazvaniya naturalnyj Svojstva Iz opredeleniya logarifma sleduet osnovnoe logarifmicheskoe tozhdestvo eln a a displaystyle e ln a a Privedyom svodku formul v predpolozhenii chto vse znacheniya polozhitelny Formula PrimerProizvedenie ln xy ln x ln y displaystyle ln xy ln x ln y ln 4 3 ln 4 ln 3 displaystyle ln 4 cdot 3 ln 4 ln 3 Chastnoe ln xy ln x ln y displaystyle ln left frac x y right ln x ln y ln 1e2 ln 1 ln e2 0 2 2 displaystyle ln left frac 1 e 2 right ln 1 ln e 2 0 2 2 Stepen ln xp pln x displaystyle ln x p p ln x ln 64 ln 26 6ln 2 displaystyle ln 64 ln 2 6 6 ln 2 Koren ln xp ln xp displaystyle ln sqrt p x frac ln x p ln 10 12ln 10 displaystyle ln sqrt 10 frac 1 2 ln 10 Drugie svojstva Iz ravenstva dvuh veshestvennyh logarifmov sleduet ravenstvo logarifmiruemyh vyrazhenij S vozrastaniem argumenta vozrastaet i logarifm esli 0 lt x lt y displaystyle 0 lt x lt y to ln x lt ln y displaystyle ln x lt ln y h1 h ln 1 h h displaystyle frac h 1 h leqslant ln 1 h leqslant h esli h gt 1 displaystyle h gt 1 Svyaz s logarifmami po drugomu osnovaniyu Logarifm mozhet byt opredelyon dlya lyubogo polozhitelnogo osnovaniya otlichnogo ot 1 displaystyle 1 a ne tolko dlya e displaystyle e no logarifmy dlya drugih osnovanij otlichayutsya ot naturalnogo logarifma tolko postoyannym mnozhitelem Logarifm loga b displaystyle log a b po osnovaniyu a displaystyle a mozhno preobrazovat v naturalnyj logarifm i obratno ln b loga bloga e loga b ln a displaystyle ln b frac log a b log a e log a b cdot ln a loga b ln bln a displaystyle log a b frac ln b ln a Svyaz desyatichnogo lg x displaystyle lg x i naturalnogo logarifmov ln x 2 30259 lg x lg x 0 43429 ln x displaystyle ln x approx 2 30259 lg x quad lg x approx 0 43429 ln x Svyaz dvoichnogo lb x displaystyle operatorname lb x i naturalnogo logarifmov ln x 0 693147lb x lb x 1 442695ln x displaystyle ln x approx 0 693147 operatorname lb x quad operatorname lb x approx 1 442695 ln x Logarifmicheskaya funkciya Grafiki logarifmicheskih funkcij krasnaya krivaya naturalnyj logarifm Esli rassmatrivat logarifmiruemoe chislo kak peremennuyu my poluchim logarifmicheskuyu funkciyu y ln x displaystyle y ln x Ona opredelena pri x gt 0 displaystyle x gt 0 Oblast znachenij E y displaystyle E y infty infty Eta krivaya chasto nazyvaetsya logarifmikoj Iz formuly zameny osnovaniya logarifma vidno chto grafiki logarifmicheskih funkcij s raznymi osnovaniyami bo lshimi edinicy otlichayutsya odin ot drugogo tolko masshtabom po osi y displaystyle y grafiki dlya osnovanij menshih edinicy yavlyayutsya ih zerkalnym otrazheniem otnositelno gorizontalnoj osi Funkciya yavlyaetsya strogo vozrastayushej ona nepreryvna i neogranichenno differenciruema vsyudu v svoej oblasti opredeleniya Os ordinat x 0 displaystyle x 0 yavlyaetsya vertikalnoj asimptotoj poskolku limx 0 ln x displaystyle lim x to 0 ln x infty Proizvodnaya naturalnoj logarifmicheskoj funkcii ravna ddxln x 1x displaystyle frac d dx ln x frac 1 x Prostota etoj formuly odna iz prichin shirokogo ispolzovaniya imenno naturalnogo logarifma v analize i pri reshenii differencialnyh uravnenij Naturalnyj logarifm raven ploshadi pod giperboloj Prointegrirovav formulu dlya proizvodnoj v intervale ot x 1 displaystyle x 1 do x b displaystyle x b my poluchaem ln b 1bdxx displaystyle ln b int limits 1 b frac dx x Drugimi slovami naturalnyj logarifm ln b displaystyle ln b raven ploshadi pod giperboloj y 1x displaystyle y frac 1 x dlya ukazannogo intervala 1 b displaystyle 1 b S tochki zreniya obshej algebry logarifmicheskaya funkciya osushestvlyaet edinstvenno vozmozhnyj izomorfizm multiplikativnoj gruppy polozhitelnyh veshestvennyh chisel i additivnoj gruppy vseh veshestvennyh chisel Drugimi slovami logarifmicheskaya funkciya est edinstvennoe opredelyonnoe dlya vseh polozhitelnyh znachenij argumenta nepreryvnoe reshenie funkcionalnogo uravneniya f xy f x f y displaystyle f xy f x f y Analiticheskie svojstva funkcii Iz formuly dlya proizvodnoj naturalnogo logarifma sleduet chto pervoobraznaya dlya giperboly y 1 x displaystyle y 1 x imeet vid dxx ln x C displaystyle int dx over x ln x C gde C displaystyle C proizvolnaya konstanta integrirovaniya Poskolku funkciya y 1 x displaystyle y 1 x sostoit iz dvuh vetvej odna dlya polozhitelnyh drugaya dlya otricatelnyh x displaystyle x semejstvo pervoobraznyh dlya y 1 x displaystyle y 1 x tozhe sostoit iz dvuh podsemejstv prichyom konstanty integrirovaniya u nih nezavisimy odna ot drugoj Neopredelyonnyj integral ot naturalnogo logarifma legko najti integrirovaniem po chastyam ln xdx xln x x C displaystyle int ln x mathrm d x x ln x x C V matematicheskom analize i teorii differencialnyh uravnenij bolshuyu rol igraet ponyatie logarifmicheskoj proizvodnoj funkcii f x displaystyle f x ddxln f x f x f x displaystyle frac d dx ln f x frac f x f x Metody vychisleniya logarifma Razlozhim naturalnyj logarifm v ryad Tejlora vblizi edinicy ln 1 x x x22 x33 x44 displaystyle ln 1 x x frac x 2 2 frac x 3 3 frac x 4 4 dots Ryad 1 Etot ryad nazyvaemyj ryadom Merkatora shoditsya pri 1 lt x 1 displaystyle 1 lt x leqslant 1 V chastnosti ln 2 1 12 13 14 displaystyle ln 2 1 frac 1 2 frac 1 3 frac 1 4 dots Formula ryada 1 neprigodna dlya prakticheskogo raschyota logarifmov iz za togo chto ryad shoditsya ochen medlenno i tolko v uzkom intervale Odnako netrudno poluchit iz neyo bolee udobnuyu formulu ln 1 x1 x 2 x x33 x55 x77 displaystyle ln left frac 1 x 1 x right 2 left x frac x 3 3 frac x 5 5 frac x 7 7 dots right Ryad 2 Etot ryad shoditsya bystree a krome togo levaya chast formuly teper mozhet vyrazit logarifm lyubogo polozhitelnogo chisla z 1 x1 x displaystyle z frac 1 x 1 x ibo togda x z 1z 1 displaystyle x frac z 1 z 1 po absolyutnoj velichine menshe edinicy Dannyj algoritm uzhe prigoden dlya realnyh chislennyh raschyotov znachenij logarifmov odnako ne yavlyaetsya nailuchshim s tochki zreniya trudoyomkosti Dlya vychisleniya naturalnogo logarifma s bolshim kolichestvom cifr tochnosti ryad Tejlora ne yavlyaetsya effektivnym poskolku ego shodimost medlennaya Alternativoj yavlyaetsya ispolzovanie metoda Nyutona chtoby invertirovat v eksponencialnuyu funkciyu ryad kotoroj shoditsya bystree Alternativoj dlya ochen vysokoj tochnosti raschyota yavlyaetsya formula ln x p2M 1 4 s mln 2 displaystyle ln x approx frac pi 2M 1 4 s m ln 2 gde M displaystyle M oboznachaet arifmetiko geometricheskoe srednee 1 i 4 s i s x2m gt 2p 2 displaystyle s x 2 m gt 2 p 2 m vybrano tak chto p znakov tochnosti dostigaetsya V bolshinstve sluchaev znachenie 8 dlya m vpolne dostatochno V samom dele esli ispolzuetsya etot metod mozhet byt primenena inversiya Nyutona naturalnogo logarifma dlya effektivnogo vychisleniya eksponencialnoj funkcii Konstanty ln 2 i pi mogut byt predvaritelno vychisleny do zhelaemoj tochnosti ispolzuya lyuboj iz izvestnyh bystro shodyashihsya ryadov Vychislitelnaya slozhnost naturalnyh logarifmov s pomoshyu arifmetiko geometricheskogo srednego ravna O M n ln n Zdes n chislo cifr tochnosti dlya kotoroj naturalnyj logarifm dolzhen byt ocenen a M n vychislitelnaya slozhnost umnozheniya dvuh n znachnyh chisel Poleznye predely Privedyom neskolko poleznyh predelov svyazannyh s logarifmami limx 0ln 1 x x 1 displaystyle lim x to 0 frac ln 1 x x 1 limx 0 xbln x 0 b gt 0 displaystyle lim x to 0 x b ln x 0 quad b gt 0 limx ln xxb 0 b gt 0 displaystyle lim x to infty frac ln x x b 0 quad b gt 0 ln x limn n xn 1 limn n 1 1xn displaystyle ln x lim n to infty n left sqrt n x 1 right lim n to infty n left 1 frac 1 sqrt n x right ln x limh 0xh 1h displaystyle ln x lim h to 0 frac x h 1 h Transcendentnost Iz teoremy Lindemana Vejershtrassa 1885 vytekaet sleduyushee sledstvie esli argument x displaystyle x est algebraicheskoe chislo otlichnoe ot edinicy to znachenie ln x displaystyle ln x est ne tolko irracionalnoe no i transcendentnoe chislo Nepreryvnye drobi Hotya dlya predstavleniya logarifma otsutstvuyut klassicheskie nepreryvnye drobi no mozhno ispolzovat neskolko obobshyonnyh nepreryvnyh drobej v tom chisle ln 1 x x11 x22 x33 x44 x55 x1 0 x 12x2 1 x 22x3 2x 32x4 3x 42x5 4x displaystyle ln 1 x frac x 1 1 frac x 2 2 frac x 3 3 frac x 4 4 frac x 5 5 dots cfrac x 1 0 cdot x cfrac 1 2 x 2 1 cdot x cfrac 2 2 x 3 2x cfrac 3 2 x 4 3x cfrac 4 2 x 5 4x ddots ln 1 2xy 2xy x1 x3y 2x1 2x5y 3x1 2xy x 1x 23 y x 2x 25 y x 3x 27 y x displaystyle ln left 1 frac 2x y right cfrac 2x y cfrac x 1 cfrac x 3y cfrac 2x 1 cfrac 2x 5y cfrac 3x 1 ddots cfrac 2x y x cfrac 1x 2 3 y x cfrac 2x 2 5 y x cfrac 3x 2 7 y x ddots IstoriyaOsnovnaya statya Istoriya logarifmov Vpervye naturalnye logarifmy v sovremennom ponimanii poyavilis v 1619 godu kogda londonskij uchitel matematiki Dzhon Spajdel pereizdal logarifmicheskie tablicy Nepera ispravlennye i dopolnennye tak chto oni fakticheski stali tablicami naturalnyh logarifmov V 1649 godu belgijskij matematik Greguar de Sen Vensan pokazal chto ploshad pod giperboloj y 1x displaystyle y frac 1 x menyaetsya po logarifmicheskomu zakonu i predlozhil nazyvat etot vid logarifmov giperbolicheskim Termin naturalnyj logarifm vveli v upotreblenie Petro Mengoli 1659 god i Nikolas Merkator v fundamentalnom trude Logarithmotechnia 1668 Tam zhe Merkator opisal razlozhenie naturalnogo logarifma v ryad Merkatora Pervye popytki rasprostranit logarifmy na kompleksnye chisla predprinimali na rubezhe XVII XVIII vekov Lejbnic i Iogann Bernulli odnako sozdat celostnuyu teoriyu im ne udalos v pervuyu ochered po toj prichine chto togda eshyo ne bylo yasno opredeleno samo ponyatie logarifma Diskussiya po etomu povodu velas snachala mezhdu Lejbnicem i Bernulli a v seredine XVIII veka mezhdu D Alamberom i Ejlerom Bernulli i D Alamber schitali chto sleduet opredelit log x log x displaystyle log x log x v to vremya kak Lejbnic dokazyval chto logarifm otricatelnogo chisla est mnimoe chislo Polnaya teoriya logarifmov otricatelnyh i kompleksnyh chisel byla opublikovana Ejlerom v 1747 1751 godah i po sushestvu nichem ne otlichaetsya ot sovremennoj Kompleksnye logarifmyOsnovnaya statya Kompleksnyj logarifm Kompleksnyj logarifm analiticheskaya funkciya poluchaemaya rasprostraneniem veshestvennogo logarifma na vsyu kompleksnuyu ploskost krome nulya V otlichie ot veshestvennogo sluchaya funkciya kompleksnogo logarifma mnogoznachna Opredelenie Naturalnyj logarifm Lnz displaystyle mathrm Ln z kompleksnogo chisla z displaystyle z predstavlyaet soboj reshenie w displaystyle w uravneniya ew z displaystyle e w z Nenulevoe chislo z displaystyle z mozhno predstavit v pokazatelnoj forme z r ei f 2pk displaystyle z r cdot e i varphi 2 pi k gde k displaystyle k proizvolnoe celoe chislo Togda Lnz displaystyle mathrm Ln z nahoditsya po formule Lnz ln r i f 2pk displaystyle mathrm Ln z ln r i left varphi 2 pi k right Zdes lnr ln z displaystyle ln r ln z veshestvennyj logarifm Otsyuda vytekaet Kompleksnyj logarifm Lnz displaystyle mathrm Ln z sushestvuet dlya lyubogo z 0 displaystyle z neq 0 i ego veshestvennaya chast opredelyaetsya odnoznachno v to vremya kak mnimaya chast imeet beskonechnoe mnozhestvo znachenij razlichayushihsya na celoe kratnoe 2p displaystyle 2 pi Iz formuly vidno chto u odnogo i tolko odnogo iz znachenij mnimaya chast nahoditsya v intervale p p displaystyle pi pi Eto znachenie nazyvaetsya glavnym znacheniem kompleksnogo naturalnogo logarifma Sootvetstvuyushaya uzhe odnoznachnaya funkciya nazyvaetsya glavnoj vetvyu logarifma i oboznachaetsya lnz displaystyle ln z Esli z displaystyle z veshestvennoe chislo to glavnoe znachenie ego logarifma sovpadaet s obychnym veshestvennym logarifmom Logarifm otricatelnogo chisla nahoditsya po formule Ln x ln x ip 2k 1 x gt 0 k 0 1 2 displaystyle mathrm Ln x ln x i pi 2k 1 qquad x gt 0 k 0 pm 1 pm 2 dots Primery ln 1 0 Ln 1 2kpi displaystyle ln 1 0 mathrm Ln 1 2k pi i ln 1 ip Ln 1 2k 1 ip displaystyle ln 1 i pi mathrm Ln 1 2k 1 i pi ln i ip2 Ln i i4k 12p displaystyle ln i i frac pi 2 mathrm Ln i i frac 4k 1 2 pi Sleduet byt ostorozhnym pri preobrazovaniyah kompleksnyh logarifmov prinimaya vo vnimanie chto oni mnogoznachny i poetomu iz ravenstva logarifmov kakih libo vyrazhenij ne sleduet ravenstvo etih vyrazhenij Primer oshibochnogo rassuzhdeniya ip ln 1 ln i 2 2ln i 2 ip 2 ip displaystyle i pi ln 1 ln i 2 2 ln i 2 i pi 2 i pi yavnaya oshibka Otmetim chto sleva stoit glavnoe znachenie logarifma a sprava znachenie iz nizhelezhashej vetvi k 1 displaystyle k 1 Prichina oshibki neostorozhnoe ispolzovanie svojstva loga bp p loga b displaystyle log a b p p log a b kotoroe voobshe govorya podrazumevaet v kompleksnom sluchae ves beskonechnyj nabor znachenij logarifma a ne tolko glavnoe znachenie Funkcii naturalnogo logarifma na kompleksnoj ploskosti glavnaya vetv z Re ln x iy displaystyle z Re ln x iy z Im ln x iy displaystyle z Im ln x iy z ln x iy displaystyle z ln x iy Superpoziciya tryoh predydushih grafikov Funkciya naturalnogo logarifma kompleksnogo chisla mozhet byt takzhe opredelena kak analiticheskoe prodolzhenie veshestvennogo logarifma na vsyu kompleksnuyu ploskost krome nulya Pust krivaya G displaystyle Gamma nachinaetsya v edinice zakanchivaetsya v z ne prohodit cherez nul i ne peresekaet otricatelnuyu chast veshestvennoj osi Togda glavnoe znachenie logarifma v konechnoj tochke w displaystyle w krivoj G displaystyle Gamma mozhno opredelit po formule ln z Gduu displaystyle ln z int limits Gamma du over u Nekotorye primeneniyaTeoriya chisel Raspredelenie prostyh chisel asimptoticheski podchinyaetsya prostym zakonam Chislo prostyh chisel v intervale ot 1 do n displaystyle n priblizitelno ravno nln n displaystyle frac n ln n k e prostoe chislo priblizitelno ravno kln k displaystyle k ln k Matematicheskij analiz Sm takzhe Spisok integralov ot logarifmicheskih funkcij Logarifmy neredko voznikayut pri nahozhdenii integralov i pri reshenii differencialnyh uravnenij Primery tg xdx ln cos x C dxx2 a ln x x2 a C displaystyle int operatorname tg x dx ln cos x C quad int frac dx sqrt x 2 a ln left x sqrt x 2 a right C Teoriya veroyatnostej i statistika V statistike i teorii veroyatnostej logarifm vhodit v ryad prakticheski vazhnyh veroyatnostnyh raspredelenij Naprimer logarifmicheskoe raspredelenie ispolzuetsya v genetike i fizike Lognormalnoe raspredelenie chasto vstrechaetsya v situaciyah kogda issleduemaya velichina est proizvedenie neskolkih nezavisimyh polozhitelnyh sluchajnyh peremennyh Dlya ocenki neizvestnogo parametra shiroko primenyayutsya metod maksimalnogo pravdopodobiya i svyazannaya s nim logarifmicheskaya funkciya pravdopodobiya Fluktuacii pri sluchajnom bluzhdanii opisyvaet zakon Hinchina Kolmogorova Fraktaly i razmernost Treugolnik Serpinskogo sprava Logarifmy pomogayut vyrazit razmernost Hausdorfa dlya fraktala Naprimer rassmotrim treugolnik Serpinskogo kotoryj poluchaetsya iz ravnostoronnego treugolnika posledovatelnym udaleniem analogichnyh treugolnikov linejnyj razmer kazhdogo iz kotoryh na kazhdom etape umenshaetsya vdvoe sm risunok Razmernost rezultata opredelyaetsya po formule ln 3ln 2 1 58 displaystyle frac ln 3 ln 2 approx 1 58 Mehanika i fizika Princip Bolcmana v statisticheskoj termodinamike odna iz vazhnejshih funkcij sostoyaniya termodinamicheskoj sistemy harakterizuyushaya stepen eyo haotichnosti Formula Ciolkovskogo primenyaetsya dlya raschyota skorosti rakety Himiya i fizicheskaya himiya Uravnenie Nernsta svyazyvaet okislitelno vosstanovitelnyj potencial sistemy s aktivnostyami veshestv vhodyashih v elektrohimicheskoe uravnenie a takzhe so standartnymi elektrodnymi potencialami okislitelno vosstanovitelnyh par Logarifm ispolzuetsya v opredeleniyah takih velichin kak pokazatel konstanty avtoprotoliza samoionizacii molekuly i vodorodnyj pokazatel kislotnosti rastvora Psihologiya i fiziologiya Chelovecheskoe vospriyatie mnogih yavlenij horosho opisyvaetsya logarifmicheskim zakonom Zakon Vebera Fehnera empiricheskij psihofiziologicheskij zakon zaklyuchayushijsya v tom chto intensivnost oshusheniya proporcionalna logarifmu intensivnosti stimula gromkosti zvuka yarkosti sveta Zakon Fittsa chem dalshe ili tochnee vypolnyaetsya dvizhenie organizma tem bolshe korrekcii neobhodimo dlya ego vypolneniya i tem dolshe eta korrekciya ispolnyaetsya Vremya na prinyatie resheniya pri nalichii vybora mozhno ocenit po angl PrimechaniyaMortimer Robert G Mathematics for physical chemistry neopr 3rd Academic Press 2005 S 9 ISBN 0 125 08347 5 Extract of page 9 Arhivnaya kopiya ot 24 iyunya 2016 na Wayback Machine Algebra i nachala analiza Uchebnik dlya 10 11 klassov 12 e izdanie M Prosveshenie 2002 Str 233 Vygodskij M Ya Spravochnik po elementarnoj matematike 1978 s 187 Korn G Korn T Spravochnik po matematike 1973 s 34 Vygodskij M Ya Spravochnik po elementarnoj matematike 1978 s 189 Logarifmicheskaya funkciya Matematicheskaya enciklopediya v 5 tomah M Sovetskaya Enciklopediya 1982 T 3 Arhivirovano 16 oktyabrya 2013 goda Fihtengolc G M Kurs differencialnogo i integralnogo ischisleniya 1966 Tom I str 159 160 Sasaki T Kanada Y Practically fast multiple precision evaluation of log x angl Journal of Information Processing 1982 Vol 5 iss 4 P 247 250 Arhivirovano 29 iyulya 2011 goda Ahrendt Timm Fast computations of the exponential function Lecture notes in computer science neopr 1999 T 1564 S 302 312 doi 10 1007 3 540 49116 3 28 Fihtengolc G M Kurs differencialnogo i integralnogo ischisleniya 1966 Tom I str 164 Rudio F O kvadrature kruga Arhimed Gyujgens Lambert Lezhandr Izd 3 e M L OGIZ 1936 S 89 237 s Klassiki estestvoznaniya Cajori Florian A History of Mathematics 5th ed neopr AMS Bookstore 1991 S 152 ISBN 0821821024 Flashman Martin Estimating Integrals using Polynomials neopr Data obrasheniya 30 iyunya 2011 Arhivirovano 11 fevralya 2012 goda Matematika XVII stoletiya Istoriya matematiki Pod redakciej A P Yushkevicha v tryoh tomah M Nauka 1970 T II S 63 J J O Connor and E F Robertson The number e neopr The MacTutor History of Mathematics archive sentyabr 2001 Data obrasheniya 30 iyunya 2011 Arhivirovano 11 fevralya 2012 goda Istoriya matematiki tom III 1972 s 325 328 Rybnikov K A Istoriya matematiki V dvuh tomah M Izd MGU 1963 T II S 27 230 231 Korn G Korn T Spravochnik po matematike 1973 s 623 Sveshnikov A G Tihonov A N Teoriya funkcij kompleksnoj peremennoj 1967 s 45 46 99 100 Derbishir Dzhon Prostaya oderzhimost Bernhard Riman i velichajshaya nereshennaya problema v matematike Astrel 2010 464 s ISBN 978 5 271 25422 2 Weisstein Eric W Log Series Distribution angl MathWorld Data obrasheniya 26 aprelya 2012 Arhivirovano 11 maya 2012 goda Logarifmicheski normalnoe raspredelenie Matematicheskaya enciklopediya v 5 tomah M Sovetskaya Enciklopediya 1982 T 3 Arhivirovano 16 oktyabrya 2013 goda Maksimalnogo pravdopodobiya metod Matematicheskaya enciklopediya v 5 tomah M Sovetskaya Enciklopediya 1982 T 3 Arhivirovano 16 oktyabrya 2013 goda Ivanov M G Razmer i razmernost Potencial avgust 2006 Golovin S Yu ZAKON VEBERA FEHNERA Slovar prakticheskogo psihologa neopr Data obrasheniya 17 aprelya 2012 Arhivirovano 11 iyunya 2013 goda Irina Aldoshina Osnovy psihoakustiki Zvukorezhissyor 1999 Vyp 6 Arhivirovano 24 aprelya 2012 goda Zakon Fittsa Psihologicheskaya enciklopediya neopr Data obrasheniya 17 aprelya 2012 Arhivirovano iz originala 27 maya 2012 goda Welford A T Fundamentals of skill London Methuen 1968 P 61 ISBN 978 0 416 03000 6 LiteraturaVygodskij M Ya Spravochnik po elementarnoj matematike M Nauka 1978 Pereizdanie AST 2003 ISBN 5 17 009554 6 Matematika XVIII stoletiya Istoriya matematiki Pod redakciej A P Yushkevicha v tryoh tomah M Nauka 1972 T III Korn G Korn T Spravochnik po matematike dlya nauchnyh rabotnikov i inzhenerov M Nauka 1973 720 s Sveshnikov A G Tihonov A N Teoriya funkcij kompleksnoj peremennoj M Nauka 1967 304 s Fihtengolc G M Kurs differencialnogo i integralnogo ischisleniya izd 6 e M Nauka 1966 680 s Ssylki Razbiraemsya s naturalnym logarifmom Arhivnaya kopiya ot 26 sentyabrya 2013 na Wayback Machine perevod stati Demystifying the Natural Logarithm ln BetterExplained angl

NiNa.Az

NiNa.Az - Абсолютно бесплатная система, которая делится для вас информацией и контентом 24 часа в сутки.
Взгляните
Закрыто