Logaritmi | matematiikka

Logaritmit tai logaritmit ovat osa matematiikkaa. Ne liittyvät eksponenttifunktioihin. Logaritmi kertoo, mikä eksponentti (tai potenssi) tarvitaan tietyn luvun saamiseksi, joten logaritmit ovat eksponentiaalin käänteisluku (vastakohta). Historiallisesti ne olivat hyödyllisiä suurten lukujen kertomiseen tai jakamiseen.

Esimerkki logaritmista on log 2 ( 8 ) = 3 {\displaystyle \log _{2}(8)=3\ } {\displaystyle \log _{2}(8)=3\ } $\log _{2}(8)=3\$ . Tässä logaritmissa perusta on 2, argumentti on 8 ja vastaus on 3. Tässä tapauksessa eksponenttifunktio olisi:

2 3 = 2 × 2 × 2 = 8 {\displaystyle 2^{3}=2\ kertaa 2\ kertaa 2\ kertaa 2=8\,} $2^{3}=2\times 2\times 2=8\,$

Yleisimmät logaritmityypit ovat tavalliset logaritmit, joiden perusta on 10, binäärilogaritmit, joiden perusta on 2, ja luonnolliset logaritmit, joiden perusta on e ≈ 2,71828.

Avattu nautiluksen kuori. Sen kammiot muodostavat logaritmisen spiraalin.

Historia

Logaritmeja käytettiin ensimmäisen kerran Intiassa 2. vuosisadalla eaa. Logaritmeja käytti nykyaikana ensimmäisenä saksalainen matemaatikko Michael Stifel (noin 1487-1567). Vuonna 1544 hän kirjoitti ylös seuraavat yhtälöt: q m q n = q m + n {\displaystyle q^{m}q^{n}=q^{m+n}}} $q^{m}q^{n}=q^{m+n}$ ja q m q n = q m - n {\displaystyle {\tfrac {q^{m}}{q^{n}}}=q^{m-n}}}} ${\tfrac {q^{m}}{q^{n}}}=q^{m-n}$ . Tämä on logaritmien ymmärtämisen perusta. Stifelille m {\displaystyle m} ja n {\displaystyle n} piti olla kokonaislukuja. John Napier (1550-1617) ei halunnut tätä rajoitusta ja halusi eksponenttien vaihteluvälin.

Napierin mukaan logaritmit ilmaisevat suhdelukuja: a {\displaystyle a} on samassa suhteessa kuin b {\displaystyle b} $b$ , samoin kuin c {\displaystyle c} $c$ ja d {\displaystyle d} $d$ , jos niiden logaritmien erotus on sama. Matemaattisesti: log ( a ) - log ( b ) = log ( c ) - log ( d ) {\displaystyle \log(a)-\log(b)=\log(c)-\log(d)} $\log(a)-\log(b)=\log(c)-\log(d)$ . Aluksi käytettiin emästä e (vaikka numeroa ei ollut vielä nimetty). Henry Briggs ehdotti 10:n käyttöä logaritmien peruslukuna, sillä tällaiset logaritmit ovat erittäin käyttökelpoisia tähtitieteessä.

John Napier työskenteli logaritmien parissa

Suhde eksponenttifunktioihin

Logaritmi kertoo, mikä eksponentti (tai potenssi) tarvitaan tietyn luvun saamiseksi, joten logaritmit ovat eksponenttiarvon käänteislukuja (vastakohta).

Aivan kuten eksponenttifunktiossa on kolme osaa, myös logaritmissa on kolme osaa: emäs, argumentti ja vastaus (jota kutsutaan myös potenssiksi).

Seuraavassa on esimerkki eksponenttifunktiosta:

2 3 = 8 {\displaystyle 2^{3}=8\ } $2^{3}=8\$

Tässä funktiossa perusta on 2, argumentti on 3 ja vastaus on 8.

Tällä eksponenttiyhtälöllä on käänteisluku, logaritmiyhtälö:

log 2 ( 8 ) = 3 {\displaystyle \log _{2}(8)=3\ } $\log _{2}(8)=3\$

Tässä yhtälössä perusta on 2, argumentti on 8 ja vastaus on 3.

Ero juuriin

Yhteenlaskulla on yksi käänteisoperaatio: vähennyslasku. Myös kertolaskulla on yksi käänteisoperaatio: jakolasku. Eksponentioinnilla on kuitenkin kaksi käänteisoperaatiota: juuri ja logaritmi. Syy tähän liittyy siihen, että potensointi ei ole kommutatiivinen.

Seuraava esimerkki havainnollistaa tätä:

Jos x+2=3, voidaan vähennyslaskun avulla todeta, että x=3-2. Sama pätee, jos 2+x=3: saadaan myös x=3-2. Tämä johtuu siitä, että x+2 on sama kuin 2+x.
Jos x - 2=3, voidaan jakolaskun avulla todeta, että x= 3 2 {\textstyle {\frac {3}{2}}}} ${\textstyle {\frac {3}{2}}}$ . Sama pätee, jos 2 - x=3: saadaan myös x= 3 2 {\textstyle {\frac {3}{2}}} ${\textstyle {\frac {3}{2}}}$ . Tämä johtuu siitä, että x - 2 on sama kuin 2 - x.
Jos x²=3, voidaan (neliö)juuren avulla todeta, että x = 3 {\textstyle {\sqrt {3}}} ${\textstyle {\sqrt {3}}}$ . Jos kuitenkin 2^x =3, ei voida käyttää juurta x:n selvittämiseen, vaan on käytettävä (binääri)logaritmia, jotta saadaan selville, että x=log₂ (3).
Tämä johtuu siitä, että 2^x ei yleensä ole sama kuin x² (esimerkiksi 2⁵ =32 mutta 5²=25).

Käyttää

Logaritmit voivat helpottaa suurten lukujen kertomista ja jakamista, koska logaritmien lisääminen on sama kuin kertominen ja logaritmien vähentäminen on sama kuin jakaminen.

Ennen kuin laskimista tuli suosittuja ja yleisiä, ihmiset käyttivät logaritmitaulukoita kirjoissa kerto- ja jakolaskemiseen. Samat logaritmitaulukon tiedot olivat saatavilla laskutikulla, joka oli työkalu, johon oli kirjoitettu logaritmit.

Laskutoimitusten lisäksi logaritmilla on myös monia muita sovelluksia todellisessa elämässä:

Logaritmiset spiraalit ovat yleisiä luonnossa. Esimerkkeinä mainittakoon nautiluksen kuori tai auringonkukan siementen asettelu.
Kemiassa hydroniumionien aktiivisuuden (H O₃⁺ , H⁺ vedessä esiintyvän muodon H ) 10-logaritmin negatiivinen arvo on pH-arvo. Hydroniumionien aktiivisuus neutraalissa vedessä on 10⁻⁷ mol/l 25 °C:ssa, joten pH on 7. (Tämä johtuu siitä, että tasapainovakio, hydroniumionien ja hydroksyyli-ionien konsentraatioiden tulo, on vesiliuoksissa 10⁻¹⁴ M² .).
Richterin asteikko mittaa maanjäristyksen voimakkuutta logaritmisella asteikolla 10.
Tähtitieteessä näennäinen magnitudi mittaa tähtien kirkkautta logaritmisesti, koska myös silmä reagoi kirkkauteen logaritmisesti.
Musiikilliset välit mitataan logaritmisesti puoliääninä. Kahden sävelen välinen väli puoliääninä on taajuuden suhteen logaritmi (tai vastaavasti 12 kertaa logaritmi (base-2)^1/12 ). Murtopuolisäveliä käytetään muissa kuin tasaäänisissä temperoinneissa. Erityisesti mittaamaan poikkeamia yhtäläisesti temperoidusta asteikosta intervalleja ilmaistaan myös sentteinä (tasatahtisen puoliäänen sadasosina). Kahden nuotin välinen väli sentteinä on taajuuslukusuhteen logaritmi (tai 1200 kertaa logaritmi (base-2)^1/1200 ). MIDI:ssä nuotit numeroidaan puoliääniasteikolla (logaritminen absoluuttinen nimelliskorkeus, jossa keskimmäinen C on 60). Muihin viritysjärjestelmiin tapahtuvaa mikrotuningia varten määritellään logaritminen asteikko, jolla täytetään tasatahtisen asteikon puolisävelten väliset alueet yhteensopivalla tavalla. Tämä asteikko vastaa kokonaisten puolisävelten nuottien numeroita. (ks. microtuning in MIDI Archived 2008-02-12 at the Wayback Machine).

Yhteiset logaritmit

Logaritmeja emäksellä 10 kutsutaan yhteisiksi logaritmeiksi. Ne kirjoitetaan yleensä ilman emästä. Esimerkiksi:

log ( 100 ) = 2 {\displaystyle \log(100)=2\ } $\log(100)=2\$

Tämä on totta, koska:

10 2 = 100 {\displaystyle 10^{2}=100\ } $10^{2}=100\$

Luonnolliset logaritmit

Logaritmeja e:hen kutsutaan luonnollisiksi logaritmeiksi. Luku e on lähes 2,71828, ja sitä kutsutaan myös Eulerin vakioksi matemaatikko Leonhard Eulerin mukaan.

Luonnolliset logaritmit voivat olla tunnuksia log e ( x ) {\displaystyle \log _{e}(x)\,} $\log _{e}(x)\,$ tai ln ( x ) {\displaystyle \ln(x)\,} $\ln(x)\,$ . Jotkut kirjoittajat käyttävät mieluummin luonnollisia logaritmeja log ( x ) {\displaystyle \log(x)} $\log(x)$ , mutta mainitsevat tämän yleensä esipuheessa.

Logaritmien yleiset perusteet

pohja	lyhenne	Kommentit
2	ld {\displaystyle \operatorname {ld} } $\operatorname {ld}$	Hyvin yleinen tietojenkäsittelytieteessä (binäärinen)
e	ln $\ln$ tai yksinkertaisesti log {\displaystyle \log } $\log$	Tämän perusta on Eulerin vakio e. Tämä on yleisin puhtaassa matematiikassa käytetty logaritmi.
10	log 10 {\displaystyle \log _{10}} $\log _{10}$ tai log {\displaystyle \log } $\log$ (joskus myös kirjoitettuna lg {\displaystyle \lg } ). $\lg$	Käytetään joissakin tieteissä, kuten kemiassa ja biologiassa.
mikä tahansa luku, n	log n {\displaystyle \log _{n}} $\log _{n}$	Tämä on yleinen tapa kirjoittaa logaritmeja.

Logaritmien ominaisuudet

Logaritmeilla on monia ominaisuuksia. Esimerkiksi:

Ominaisuudet logaritmin määritelmästä

Tämä ominaisuus on suoraan logaritmin määritelmästä:

log n ( n a ) = a {\displaystyle \log _{n}(n^{a})=a} $\log _{n}(n^{a})=a$ Esimerkiksi

log 2 ( 2 3 ) = 3 {\displaystyle \log _{2}(2^{3})=3} $\log _{2}(2^{3})=3$ ja

log 2 ( 1 2 ) = - 1 {\displaystyle \log _{2}{\bigg (}{\frac {1}{2}}}{\bigg )}=-1} $\log _{2}{\bigg (}{\frac {1}{2}}{\bigg )}=-1$ , koska 1 2 = 2 - 1 {\displaystyle {\frac {1}{2}}}=2^{-1}}} ${\frac {1}{2}}=2^{-1}$ .

Luvun a logaritmi emäksellä b on sama kuin a:n logaritmi jaettuna b:n logaritmilla. Eli,

log b ( a ) = log ( a ) log ( b ) {\displaystyle \log _{b}(a)={\frac {\log(a)}{\log(b)}}}} $\log _{b}(a)={\frac {\log(a)}{\log(b)}}$

Olkoon esimerkiksi a 6 ja b 2. Laskimilla voimme osoittaa, että tämä on totta (tai ainakin hyvin lähellä sitä):

log 2 ( 6 ) = log ( 6 ) log ( 2 ) {\displaystyle \log _{2}(6)={\frac {\log(6)}{\log(2)}}}} $\log _{2}(6)={\frac {\log(6)}{\log(2)}}$

log 2 ( 6 ) ≈ 2.584962 {\displaystyle \log _{2}(6)\approx 2.584962} $\log _{2}(6)\approx 2.584962$

2.584962 ≈ 0.778151 0.301029 ≈ 2.584970 {\displaystyle 2.584962\approx {\frac {0.778151}{0.301029}}\approx 2.584970} $2.584962\approx {\frac {0.778151}{0.301029}}\approx 2.584970$

Edellä olevissa tuloksissa oli pieni virhe, mutta se johtui numeroiden pyöristämisestä.

Koska luonnollista logaritmia on vaikea kuvitella, havaitsemme, että kymmenes logaritmi:

ln ( x ) = log ( x ) log ( e ) ≈ log ( x ) 0.434294 {\displaystyle \ln(x)={\frac {\log(x)}{\log(e)}}\approx {\frac {\log(x)}{0.434294}}}} $\ln(x)={\frac {\log(x)}{\log(e)}}\approx {\frac {\log(x)}{0.434294}}$ , missä 0,434294 on e:n logaritmin approksimaatio.

Operaatiot logaritmiargumenttien sisällä

Logaritmit, jotka kertovat argumenttinsa sisällä, voidaan muuttaa seuraavasti:

log ( a b ) = log ( a ) + log ( b ) {\displaystyle \log(ab)=\log(a)+\log(b)} $\log(ab)=\log(a)+\log(b)$

Esimerkiksi,

log ( 1000 ) = log ( 10 ⋅ 10 ⋅ 10 ) = log ( 10 ) + log ( 10 ) + log ( 10 ) + log ( 10 ) = 1 + 1 + 1 = 3 {\displaystyle \log(1000)=\log(10\cdot 10\cdot 10)=\log(10)+\log(10)+\log(10)+\log(10)=1+1+1=3} $\log(1000)=\log(10\cdot 10\cdot 10)=\log(10)+\log(10)+\log(10)=1+1+1=3$

Vastaavasti logaritmi, joka jakaa argumentin sisällä, voidaan muuttaa logaritmin erotukseksi (koska se on kertolaskun käänteisoperaatio):

log ( a b ) = log ( a ) - log ( b ) {\displaystyle \log {\bigg (}{\frac {a}{b}}{\bigg )}=\log(a)-\log(b)} $\log {\bigg (}{\frac {a}{b}}{\bigg )}=\log(a)-\log(b)$

Logaritmitaulukot, laskutikut ja historialliset sovellukset

Ennen elektronisia tietokoneita tutkijat käyttivät logaritmeja päivittäin. Logaritmit auttoivat tiedemiehiä ja insinöörejä monilla aloilla, kuten tähtitieteessä.

Ennen tietokoneita logaritmitaulukko oli tärkeä apuväline. Vuonna 1617 Henry Briggs painatti ensimmäisen logaritmitaulukon. Tämä tapahtui pian Napierin peruskeksinnön jälkeen. Myöhemmin ihmiset tekivät laajuudeltaan ja tarkkuudeltaan parempia taulukoita. Näissä taulukoissa lueteltiin log_b (x) ja b^x arvot mille tahansa luvulle x tietyllä alueella, tietyllä tarkkuudella ja tietyllä perusluvulla b (yleensä b = 10). Esimerkiksi Briggsin ensimmäinen taulukko sisälsi kaikkien kokonaislukujen yhteiset logaritmit alueella 1-1000 kahdeksan numeron tarkkuudella.

Koska funktio f(x) = b^x on log_b (x) käänteisfunktio, sitä kutsutaan antilogaritmiksi. Ihmiset käyttivät näitä taulukoita lukujen kertomiseen ja jakamiseen. Käyttäjä esimerkiksi etsi taulukosta logaritmin kullekin kahdelle positiiviselle luvulle. Taulukon lukujen yhteenlasku antaisi tuloksen logaritmin. Taulukon antilogaritmiominaisuus löysi sitten tuotteen sen logaritmin perusteella.

Tarkkuutta vaativissa manuaalisissa laskutoimituksissa kahden logaritmin etsiminen, niiden summan tai erotuksen laskeminen ja antilogaritmin etsiminen on paljon nopeampaa kuin kertolaskun suorittaminen aiemmilla tavoilla.

Monissa logaritmitaulukoissa logaritmit annetaan antamalla erikseen x:n ominais- ja mantissa, eli log₁₀ (x) kokonaislukuosa ja murtolukuosa. 10 - x:n ominaisarvo on yksi plus x:n ominaisarvo, ja niiden merkkipaalut ovat samat. Tämä laajentaa logaritmitaulukoiden soveltamisalaa: kun on olemassa taulukko, jossa on lueteltu log₁₀ (x) kaikille kokonaisluvuille x välillä 1-1000, logaritmi 3542 approksimoidaan seuraavasti

log 10 ( 3542 ) = log 10 ( 10 ⋅ 354.2 ) = 1 + log 10 ( 354.2 ) ≈ 1 + log 10 ( 354 ) . {\displaystyle \log _{10}(3542)=\log _{10}(10\cdot 354.2)=1+\log _{10}(354.2)\approx 1+\log _{10}(354).\,} $\log _{10}(3542)=\log _{10}(10\cdot 354.2)=1+\log _{10}(354.2)\approx 1+\log _{10}(354).\,$

Toinen kriittinen sovellus oli laskutikku, logaritmisesti jaettu asteikkopari, jota käytettiin laskemiseen, kuten tässä on kuvattu:

Luvut merkitään liukuvalle asteikolle niiden logaritmien erotuksiin suhteutetuin välimatkoin. Ylemmän asteikon liu'uttaminen tarkoituksenmukaisesti vastaa logaritmien mekaanista yhteenlaskemista. Esimerkiksi kun alemmalla asteikolla oleva etäisyys 1:stä 2:een lisätään ylemmällä asteikolla olevaan etäisyyteen 1:stä 3:een, saadaan tulokseksi 6, joka luetaan alaosasta. Monet insinöörit ja tiedemiehet käyttivät laskutikkuja 1970-luvulle asti. Tutkijat voivat työskennellä nopeammin laskutikun avulla kuin logaritmitaulukon avulla.

Kaavamainen kuvaus laskutoimituksesta. Aloitetaan alemmalla asteikolla olevasta 2:sta ja lisätään etäisyys ylemmällä asteikolla olevaan 3:een, jotta saadaan tulo 6. Laskutikku toimii, koska se on merkitty siten, että etäisyys 1:stä x:ään on verrannollinen x:n logaritmiin.

Aiheeseen liittyvät sivut

Euler-Mascheronin vakio
Primalukuteoria

Kysymyksiä ja vastauksia

Kysymys: Mitä ovat logaritmit?

V: Logaritmit ovat eksponenttifunktioihin liittyvä osa matematiikkaa. Ne kertovat, mikä eksponentti tarvitaan tietyn luvun saamiseksi, ja ne ovat eksponentiaalin käänteisluku.

K: Miten logaritmeja on historiallisesti käytetty?

V: Logaritmit olivat historiallisesti hyödyllisiä suurten lukujen kertomiseen tai jakamiseen.

K: Mikä on esimerkki logaritmista?

V: Esimerkki logaritmista on log₂(8)=3, jossa perusta on 2, argumentti on 8 ja vastaus on 3.

K: Mitä tämä esimerkki tarkoittaa?

V: Tämä esimerkki tarkoittaa, että kaksi korotettuna potenssiin kolme (2³) on kahdeksan (2x2x2=8).

Kysymys: Mitä yleisiä logaritmityyppejä on?

V: Joitakin yleisiä logaritmityyppejä ovat tavalliset logaritmit, joiden emäs on 10, binääriset logaritmit, joiden emäs on 2, ja luonnolliset logaritmit, joiden emäs on e ≈ 2,71828.