Логарифмы: правила, основные свойства и формулы

Логарифмы и правила действий с ними достаточно емкие и простые. Следовательно, разобраться в данной теме вам не составит труда. После того как вы узнаете все правила натуральных логарифмов, любая задача решится самостоятельно. Первое знакомство с этой темой может показаться скучным и бессмысленным, но именно при помощи логарифмов решились многие проблемы математиков XVI века. "О чем это?" - подумали вы. Прочтите статью до конца и узнаете, что этот раздел "царицы наук" может быть интересен не только математикам, ученым точных наук, но и простым ученикам средних школ.

Определение логарифма

Начнем с определения логарифма. Как гласят многие учебники: логарифмом числа b по основанию a (log_ab) является некое число с, для которого выполняется такое равенство: b=a^c. То есть, говоря простыми словами, логарифм - определенная степень, в которую возводим основание, чтобы получить данное число. Но важно помнить, что логарифм вида log_ab имеет смысл только при: a>0; a - число, отличное от 1; b>0, следовательно, делаем вывод, что логарифм можно найти только у положительных чисел.

Классификация логарифмов по основанию

Логарифмы могут быть с любым положительным числом в основании. Но также существует два вида: натуральный и десятичный логарифмы.

• Натуральный логарифм - логарифм с основанием е (е - число Эйлера, численно приблизительно равняется 2,7, иррациональное число, которое ввели для показательной функции y = e^x), обозначается как ln a = log_ea;
• Десятичный логарифм - логарифм с основанием 10, то есть log₁₀a = lg a.

Основные правила логарифмов

Для начала нужно познакомиться с основным логарифмическим тождеством: a^log_ab=b, далее следуют два таких основных правила:

• log_a1 = 0 - так как любое число в нулевой степени равно 1;
• log_aa = 1.

Благодаря открытию логарифма для нас не составит труда решить абсолютно любое показательно уравнение, ответ которого нельзя выразить натуральным числом, а только иррациональным. Например: 5^х = 9, х = log₅9 (так как натурального х для данного уравнения не существует).

Действия с логарифмами

• log_a(x · y) = log_ax+ log_ay - чтобы найти логарифм произведения, нужно сложить логарифмы сомножителей. Обратите внимание на то, что основания логарифмов одинаковы. Если записать это в обратном порядке, то получим правило сложения логарифмов.
• log_a xy = log_ax - log_ay - чтобы найти логарифм частного, нужно найти разность логарифмов делимого и делителя. Обратите внимание: основания у логарифмов одинаковы. При записи в обратном порядке получаем правило вычитания логарифмов.

• log_a^kx^p = (p/k)*log_ax - таким образом, если в аргументе и основании логарифма стоят степени, то их можно выносить за знак логарифма.
• log_ax = log_a^c x^c - частный случай предыдущего правила, когда показатели степеней равны, их можно сократить.
• log_ax = (log_bx)\(log_ba) - так называемый модуль перехода, процедура приведения логарифма к другому основанию.
• log_ax = 1/log_xa - частный случай перехода, смена мест основания и данного числа. Все выражение, образно говоря, переворачивается, и логарифм с новым основанием оказывается в знаменателе.

История возникновения логарифмов

В XVI веке возникла необходимость проведения многих приближенных вычислений для решения практических задач, главным образом, в астрономии (например, определение положения судна по Солнцу или звездам).

Эта потребность быстро росла и значительную трудность создавало умножение и деление многозначных чисел. И ученый-математик Непер при тригонометрических расчетах решил заменить трудоемкое умножение на обыкновенное сложение, сопоставив для этого некоторые прогрессии. Тогда деление, аналогично, заменяется на процедуру попроще и надежнее - вычитание, а дабы извлечь корень n-ой степени, нужно разделить логарифм подкоренного выражения на n. Решение такой нелегкой задачи в математике явно отображало цели Непера в науке. Вот как он писал об этом в начале своей книги "Рабдология":

Я всегда старался, насколько позволяли мои силы и способности, освободить людей от трудности и скуки вычислений, докучливость которых обыкновенно отпугивает очень многих от изучения математики.

Название логарифма предложил сам Непер, он был получен путем совмещения греческих слов, которые в сочетании означали “число отношений”.

Основание логарифма ввел Спейдел. Его заимствовал Эйлер из теории о степенях и перенес в теорию логарифмов. Понятие логарифмирования стало известным благодаря Коппе в XIX веке. А использование натуральных и десятичных логарифмов, а также их обозначения появились благодаря Коши.

В 1614 году Джон Непер издал на латыни сочинение "Описание удивительной таблица логарифмов". Там было изложено краткое описание логарифмов, правил и их свойств. Так термин "логарифм" утвердился в точных науках.

Операцию логарифмирования и первое упоминание о ней появилось благодаря Валлису и Иоганну Бернулли, а окончательно установлена она была Эйлером в XVIII веке.

Именно заслуга Эйлера в распространении логарифмической функции вида y = log_ax на комплексную область. В первой половине XVIII века вышла его книга "Введение в анализ бесконечных", где были современные определения показательной и логарифмической функций.

Логарифмическая функция

Функция вида y = log_ах (имеет смысл, только если: а > 0, а ≠ 1).

• Логарифмическая функция определяется множеством всех положительных чисел, так как запись log_ах существует только при условии - х > 0;.
• Данная функция может принимать абсолютно все значения из множества R (действительных чисел). Так как у всякого действительного числа b есть положительное x, чтобы выполнялось равенство log_aх = b, то есть, это уравнение имеет корень - х = а^b (следует из того, что log_aa^b= b).
• Функция возрастает на промежутке a>0, а убывает на промежутке 0<а<1.
• Если а>0, то функция принимает положительные значения при х>1.

Следует помнить, что любые графики логарифмической функции у = log_ах имеют одну стационарную точку (1;0), так как log_а 1 = 0. Это хорошо видно на иллюстрации графика ниже.

Как видим на изображениях, функция не имеет четности или нечетности, не имеет наибольших или наименьших значений, не ограничена сверху или снизу.

Логарифмическая функция y = log_аx и показательная функция y = a^х, где (а>0, а≠1), взаимно обратные. Это можно видеть на изображении их графиков.

Решение задач с логарифмами

Обычно решение задачи, содержащей логарифмы, основано на преобразовании их в стандартный вид или же направлено на упрощение выражений под знаком логарифма. Или же стоит переводить обычные натуральные числа в логарифмы с нужным основанием, проводить дальнейшие операции по упрощению выражения.

Есть некие тонкости, которые не стоит забывать:

• При решении неравенств, когда обе части стоят под логарифмами по правилу с одним основанием, не спешите "отбрасывать" знак логарифма. Помните о промежутках монотонности логарифмической функции. Так как, если основание больше 1 (случай, когда функция возрастает) - знак неравенства останется без изменений, но когда основание больше 0 и меньше 1 (случай, когда функция убывает) - знак неравенства изменится на противоположный;
• Не забывайте определения логарифма: log_ах = b, а>0, а≠1 и х>0, чтобы не потерять корней из-за неучтенной области допустимых значений. ОДЗ (область допустимых значений) существует практически для всех сложных функций.

При решении логарифмических уравнений рекомендуется пользоваться равносильными преобразованиями. Также, необходимо быть внимательным и учитывать возможные преобразования, которые способны привести к потере некоторых корней.

Это банальные, но масштабные ошибки, с которыми столкнулись многие на пути поиска верного ответа для задания. Правил решения логарифмов не так уж и много, поэтому эта тема проще, чем другие и последующие, но в ней стоит хорошо разобраться.

Вывод

Данная тема с первого взгляда может показаться сложной и громоздкой, но, исследуя ее глубже и глубже, начинаешь понимать, что тема просто заканчивается, а сложностей так ничего и не вызвало. Мы рассмотрели все свойства, правила и даже ошибки, касающиеся темы логарифмов. Успехов в обучении!