Приведены основные свойства натурального логарифма, график, область определения, множество значений, основные формулы, производная, интеграл, разложение в степенной ряд и представление функции ln x посредством комплексных чисел.
СодержаниеОбратная функция
Обратной для натурального логарифма является экспонента .
Если , то
Если , то .
Производная ln x
Производная натурального логарифма:
.
Производная натурального логарифма от модуля x
:
.
Производная n-го порядка:
.
Вывод формул > > >
Интеграл
Интеграл вычисляется интегрированием по частям :
.
Итак,
Выражения через комплексные числа
Рассмотрим функцию комплексной переменной z
:
.
Выразим комплексную переменную z
через модуль r
и аргумент φ
:
.
Используя свойства логарифма, имеем:
.
Или
.
Аргумент φ
определен не однозначно. Если положить
,
где n - целое,
то будет одним и тем же числом при различных n
.
Поэтому натуральный логарифм, как функция от комплексного переменного, является не однозначной функцией.
Разложение в степенной ряд
При имеет место разложение:
Использованная литература:
И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов, «Лань», 2009.
Логарифмом числа N по основаниюа называется показатель степених , в которую нужно возвестиа , чтобы получить числоN
При условии, что
,
,
Из определения логарифма
следует, что
,
т.е.
- это равенство является основным
логарифмическим тождеством.
Логарифмы по основанию 10
называются десятичными логарифмами.
Вместо
пишут
.
Логарифмы по основанию e
называются натуральными и обозначаются
.
Основные свойства логарифмов.
Логарифм единицы при любом основании равен нулю
Логарифм произведения равен сумме логарифмов сомножителей.
3) Логарифм частного равен разности логарифмов
Множитель
называется модулем перехода от логарифмов
при основанииa
к логарифмам при основанииb
.
С помощью свойств 2-5 часто удается свести логарифм сложного выражения к результату простых арифметических действий над логарифмами.
Например,
Такие преобразования логарифма называются логарифмированием. Преобразования обратные логарифмированию называются потенцированием.
Глава 2. Элементы высшей математики.
1. Пределы
Пределом функции
является конечное число А, если при
стремлении xx
0
для каждого наперед заданного
,
найдется такое число
,
что как только
,
то
.
Функция, имеющая предел, отличается от
него на бесконечно малую величину:
,
где- б.м.в., т.е.
.
Пример. Рассмотрим функцию
.
При стремлении
,
функцияy
стремится к нулю:
1.1. Основные теоремы о пределах.
Предел постоянной величины равен этой постоянной величине
.
Предел суммы (разности) конечного числа функций равен сумме (разности) пределов этих функций.
Предел произведения конечного числа функций равен произведению пределов этих функций.
Предел частного двух функций равен частному пределов этих функций, если предел знаменателя не равен нулю.
Замечательные пределы
,
,
где
1.2. Примеры вычисления пределов
Однако, не все пределы вычисляются так
просто. Чаще вычисление предела сводится
к раскрытию неопределенности типа:
или
.
.
2. Производная функции
Пусть мы имеем функцию
,
непрерывную на отрезке
.
Аргумент
получил некоторое приращение
.
Тогда и функция получит приращение
.
Значению аргумента
соответствует значение функции
.
Значению аргумента
соответствует значение функции
.
Следовательно, .
Найдем предел этого отношения при
.
Если этот предел существует, то он
называется производной данной функции.
Определение 3Производной данной функции
по
аргументу
называется предел отношения приращения
функции к приращению аргумента, когда
приращение аргумента произвольным
образом стремится к нулю.
Производная функции
может быть обозначена следующим образом:
;
;
;
.
Определение 4Операция нахождения производной от функции называетсядифференцированием.
2.1. Механический смысл производной.
Рассмотрим прямолинейное движение некоторого твердого тела или материальной точки.
Пусть в некоторый момент времени
движущаяся
точка
находилась на расстоянии
от начального положения
.
Через некоторый
промежуток времени
она переместилась на расстояние
.
Отношение
=
- средняя скорость материальной точки
.
Найдем предел этого отношения, учитывая
что
.
Следовательно, определение мгновенной скорости движения материальной точки сводится к нахождению производной от пути по времени.
2.2. Геометрическое значение производной
Пусть у нас
есть графически заданная некоторая
функция
.
Рис. 1. Геометрический смысл производной
Если
,
то точка
,
будет перемещаться по кривой, приближаясь
к точке
.
Следовательно
,
т.е. значение производной при данном
значении аргумента
численно равняется тангенсу угла
образованного касательной в данной
точке с положительным направлением оси
.
2.3. Таблица основных формул дифференцирования.
Степенная функция
|
|
|
|
|
|
|
Показательная функция
|
|
|
|
|
Логарифмическая функция
|
|
|
|
|
Тригонометрическая функция
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обратная тригонометрическая функция
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.4. Правила дифференцирования.
Производная от
Производная суммы (разности) функций
Производная произведения двух функций
Производная частного двух функций
2.5. Производная от сложной функции.
Пусть дана функция
такая, что ее можно представить в виде
и
,
где переменная
является промежуточным аргументом,
тогда
Производная сложной функции равна произведению производной данной функции по промежуточному аргументу на производную промежуточного аргумента по x.
Пример1.
Пример2.
3. Дифференциал функции.
Пусть есть
,
дифференцируемая на некотором отрезке
и пустьу
этой функции есть производная
,
тогда можно записать
(1),
где
- бесконечно малая величина,
так как при
Умножая все члены равенства (1) на
имеем:
Где
-
б.м.в. высшего порядка.
Величина
называется дифференциалом функции
и обозначается
.
3.1. Геометрическое значение дифференциала.
Пусть дана функция
.
Рис.2. Геометрический смысл дифференциала.
.
Очевидно, что дифференциал функции
равен приращению ординаты касательной
в данной точке.
3.2. Производные и дифференциалы различных порядков.
Если есть
,
тогда
называется первой производной.
Производная от первой производной
называется производной второго порядка
и записывается
.
Производной n-го порядка
от функции
называется производная (n-1)-го
порядка и записывается:
.
Дифференциал от дифференциала функции называется вторым дифференциалом или дифференциалом второго порядка.
.
.
3.3 Решение биологических задач с применением дифференцирования.
Задача1.
Исследования показали, что рост колонии
микроорганизмов подчиняется закону
,
гдеN
– численность микроорганизмов (в тыс.),t
–время (дни).
б) Будет ли в этот период численность колонии увеличиваться или уменьшаться?
Ответ. Численность колонии будет увеличиваться.
Задача 2. Вода в озере периодически тестируется для контроля содержания болезнетворных бактерий. Черезt дней после тестирования концентрация бактерий определяется соотношением
.
Когда в озере наступит минимальная концентрация бактерий и можно будет в нем купаться?
РешениеФункция достигает max или min, когда ее производная равна нулю.
,
Определим max или min будет через 6 дней. Для этого возьмем вторую производную.
Ответ: Через 6 дней будет минимальная концентрация бактерий.
\(a^{b}=c\) \(\Leftrightarrow\) \(\log_{a}{c}=b\)
Объясним проще. Например, \(\log_{2}{8}\) равен степени, в которую надо возвести \(2\), чтоб получить \(8\). Отсюда понятно, что \(\log_{2}{8}=3\).
|
Примеры: |
\(\log_{5}{25}=2\) |
т.к. \(5^{2}=25\) |
||
|
\(\log_{3}{81}=4\) |
т.к. \(3^{4}=81\) |
|||
|
\(\log_{2}\)\(\frac{1}{32}\) \(=-5\) |
т.к. \(2^{-5}=\)\(\frac{1}{32}\)
|
Аргумент и основание логарифма
Любой логарифм имеет следующую «анатомию»:
Аргумент логарифма обычно пишется на его уровне, а основание - подстрочным шрифтом ближе к знаку логарифма. А читается эта запись так: «логарифм двадцати пяти по основанию пять».
Как вычислить логарифм?
Чтобы вычислить логарифм - нужно ответить на вопрос: в какую степень следует возвести основание, чтобы получить аргумент?
Например , вычислите логарифм: а) \(\log_{4}{16}\) б) \(\log_{3}\)\(\frac{1}{3}\) в) \(\log_{\sqrt{5}}{1}\) г) \(\log_{\sqrt{7}}{\sqrt{7}}\) д) \(\log_{3}{\sqrt{3}}\)
а) В какую степень надо возвести \(4\), чтобы получить \(16\)? Очевидно во вторую. Поэтому:
\(\log_{4}{16}=2\)
\(\log_{3}\)\(\frac{1}{3}\) \(=-1\)
в) В какую степень надо возвести \(\sqrt{5}\), чтобы получить \(1\)? А какая степень делает любое число единицей? Ноль, конечно!
\(\log_{\sqrt{5}}{1}=0\)
г) В какую степень надо возвести \(\sqrt{7}\), чтобы получить \(\sqrt{7}\)? В первую – любое число в первой степени равно самому себе.
\(\log_{\sqrt{7}}{\sqrt{7}}=1\)
д) В какую степень надо возвести \(3\), чтобы получить \(\sqrt{3}\)? Из мы знаем, что – это дробная степень, и значит квадратный корень - это степень \(\frac{1}{2}\) .
\(\log_{3}{\sqrt{3}}=\)\(\frac{1}{2}\)
Пример : Вычислить логарифм \(\log_{4\sqrt{2}}{8}\)
Решение :
|
\(\log_{4\sqrt{2}}{8}=x\) |
Нам надо найти значение логарифма, обозначим его за икс. Теперь воспользуемся определением логарифма: |
|
|
\((4\sqrt{2})^{x}=8\) |
Что связывает \(4\sqrt{2}\) и \(8\)? Двойка, потому что и то, и другое число можно представить двойки: |
|
|
\({(2^{2}\cdot2^{\frac{1}{2}})}^{x}=2^{3}\) |
Слева воспользуемся свойствами степени: \(a^{m}\cdot a^{n}=a^{m+n}\) и \((a^{m})^{n}=a^{m\cdot n}\) |
|
|
\(2^{\frac{5}{2}x}=2^{3}\) |
Основания равны, переходим к равенству показателей |
|
|
\(\frac{5x}{2}\) \(=3\) |
|
Умножим обе части уравнения на \(\frac{2}{5}\) |
|
|
Получившийся корень и есть значение логарифма |
Ответ : \(\log_{4\sqrt{2}}{8}=1,2\)
Зачем придумали логарифм?
Чтобы это понять, давайте решим уравнение: \(3^{x}=9\). Просто подберите \(x\), чтобы равенство сработало. Конечно, \(x=2\).
А теперь решите уравнение: \(3^{x}=8\).Чему равен икс? Вот в том-то и дело.
Самые догадливые скажут: «икс чуть меньше двух». А как точно записать это число? Для ответа на этот вопрос и придумали логарифм. Благодаря ему, ответ здесь можно записать как \(x=\log_{3}{8}\).
Хочу подчеркнуть, что \(\log_{3}{8}\), как и любой логарифм - это просто число . Да, выглядит непривычно, но зато коротко. Потому что, если бы мы захотели записать его в виде десятичной дроби, то оно выглядело бы вот так: \(1,892789260714.....\)
Пример : Решите уравнение \(4^{5x-4}=10\)
Решение :
|
\(4^{5x-4}=10\) |
\(4^{5x-4}\) и \(10\) никак к одному основанию не привести. Значит тут не обойтись без логарифма. Воспользуемся определением логарифма: |
|
|
\(\log_{4}{10}=5x-4\) |
Зеркально перевернем уравнение, чтобы икс был слева |
|
|
\(5x-4=\log_{4}{10}\) |
Перед нами . Перенесем \(4\) вправо. И не пугайтесь логарифма, относитесь к нему как к обычному числу. |
|
|
\(5x=\log_{4}{10}+4\) |
Поделим уравнение на 5 |
|
|
\(x=\)\(\frac{\log_{4}{10}+4}{5}\) |
|
Вот наш корень. Да, выглядит непривычно, но ответ не выбирают. |
Ответ : \(\frac{\log_{4}{10}+4}{5}\)
Десятичный и натуральный логарифмы
Как указано в определении логарифма, его основанием может быть любое положительное число, кроме единицы \((a>0, a\neq1)\). И среди всех возможных оснований есть два встречающихся настолько часто, что для логарифмов с ними придумали особую короткую запись:
Натуральный логарифм: логарифм, у которого основание - число Эйлера \(e\) (равное примерно \(2,7182818…\)), и записывается такой логарифм как \(\ln{a}\).
То есть, \(\ln{a}\) это то же самое, что и \(\log_{e}{a}\)
Десятичный логарифм: логарифм, у которого основание равно 10, записывается \(\lg{a}\).
То есть, \(\lg{a}\) это то же самое, что и \(\log_{10}{a}\) , где \(a\) - некоторое число.
Основное логарифмическое тождество
У логарифмов есть множество свойств. Одно из них носит название «Основное логарифмическое тождество» и выглядит вот так:
| \(a^{\log_{a}{c}}=c\) |
Это свойство вытекает напрямую из определения. Посмотрим как именно эта формула появилась.
Вспомним краткую запись определения логарифма:
если \(a^{b}=c\), то \(\log_{a}{c}=b\)
То есть, \(b\) – это тоже самое, что \(\log_{a}{c}\). Тогда мы можем в формуле \(a^{b}=c\) написать \(\log_{a}{c}\) вместо \(b\). Получилось \(a^{\log_{a}{c}}=c\) – основное логарифмическое тождество.
Остальные свойства логарифмов вы можете найти . С их помощью можно упрощать и вычислять значения выражений с логарифмами, которые «в лоб» посчитать сложно.
Пример : Найдите значение выражения \(36^{\log_{6}{5}}\)
Решение :
Ответ : \(25\)
Как число записать в виде логарифма?
Как уже было сказано выше – любой логарифм это просто число. Верно и обратное: любое число может быть записано как логарифм. Например, мы знаем, что \(\log_{2}{4}\) равен двум. Тогда можно вместо двойки писать \(\log_{2}{4}\).
Но \(\log_{3}{9}\) тоже равен \(2\), значит, также можно записать \(2=\log_{3}{9}\) . Аналогично и с \(\log_{5}{25}\), и с \(\log_{9}{81}\), и т.д. То есть, получается
\(2=\log_{2}{4}=\log_{3}{9}=\log_{4}{16}=\log_{5}{25}=\log_{6}{36}=\log_{7}{49}...\)
Таким образом, если нам нужно, мы можем где угодно (хоть в уравнении, хоть в выражении, хоть в неравенстве) записывать двойку как логарифм с любым основанием – просто в качестве аргумента пишем основание в квадрате.
Точно также и с тройкой – ее можно записать как \(\log_{2}{8}\), или как \(\log_{3}{27}\), или как \(\log_{4}{64}\)… Здесь мы как аргумент пишем основание в кубе:
\(3=\log_{2}{8}=\log_{3}{27}=\log_{4}{64}=\log_{5}{125}=\log_{6}{216}=\log_{7}{343}...\)
И с четверкой:
\(4=\log_{2}{16}=\log_{3}{81}=\log_{4}{256}=\log_{5}{625}=\log_{6}{1296}=\log_{7}{2401}...\)
И с минус единицей:
\(-1=\) \(\log_{2}\)\(\frac{1}{2}\) \(=\) \(\log_{3}\)\(\frac{1}{3}\) \(=\) \(\log_{4}\)\(\frac{1}{4}\) \(=\) \(\log_{5}\)\(\frac{1}{5}\) \(=\) \(\log_{6}\)\(\frac{1}{6}\) \(=\) \(\log_{7}\)\(\frac{1}{7}\) \(...\)
И с одной третьей:
\(\frac{1}{3}\) \(=\log_{2}{\sqrt{2}}=\log_{3}{\sqrt{3}}=\log_{4}{\sqrt{4}}=\log_{5}{\sqrt{5}}=\log_{6}{\sqrt{6}}=\log_{7}{\sqrt{7}}...\)
Любое число \(a\) может быть представлено как логарифм с основанием \(b\): \(a=\log_{b}{b^{a}}\)
Пример : Найдите значение выражения \(\frac{\log_{2}{14}}{1+\log_{2}{7}}\)
Решение :
Ответ : \(1\)
Логарифмом положительного числа b по основанию a (a>0, a не равно 1) называют такое число с, что a c = b: log a b = c ⇔ a c = b (a > 0, a ≠ 1, b > 0)
Обратите внимание: логарифм от неположительного числа не определен. Кроме того, в основании логарифма должно быть положительное число, не равное 1. Например, если мы возведем -2 в квадрат, получим число 4, но это не означает, что логарифм по основанию -2 от 4 равен 2.
Основное логарифмическое тождество
a log a b = b (a > 0, a ≠ 1) (2)Важно, что области определения правой и левой частей этой формулы отличаются. Левая часть определена только при b>0, a>0 и a ≠ 1. Правая часть определена при любом b, а от a вообще не зависит. Таким образом, применение основного логарифмического "тождества" при решении уравнений и неравенств может привести к изменению ОДЗ.
Два очевидных следствия определения логарифма
log a a = 1 (a > 0, a ≠ 1) (3)log a 1 = 0 (a > 0, a ≠ 1) (4)
Действительно, при возведении числа a в первую степень мы получим то же самое число, а при возведении в нулевую степень - единицу.
Логарифм произведения и логарифм частного
log a (b c) = log a b + log a c (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0) (5)Log
a
b
c
=
log
a
b −
log
a
c
(a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0)
(6)
Хотелось бы предостеречь школьников от бездумного применения данных формул при решении логарифмических уравнений и неравенств. При их использовании "слева направо" происходит сужение ОДЗ, а при переходе от суммы или разности логарифмов к логарифму произведения или частного - расширение ОДЗ.
Действительно, выражение log a (f (x) g (x)) определено в двух случаях: когда обе функции строго положительны либо когда f(x) и g(x) обе меньше нуля.
Преобразуя данное выражение в сумму log a f (x) + log a g (x) , мы вынуждены ограничиваться только случаем, когда f(x)>0 и g(x)>0. Налицо сужение области допустимых значений, а это категорически недопустимо, т. к. может привести к потере решений. Аналогичная проблема существует и для формулы (6).
Степень можно выносить за знак логарифма
log a b p = p log a b (a > 0, a ≠ 1, b > 0) (7)И вновь хотелось бы призвать к аккуратности. Рассмотрим следующий пример:
Log a (f (x) 2 = 2 log a f (x)
Левая часть равенства определена, очевидно, при всех значениях f(х), кроме нуля. Правая часть - только при f(x)>0! Вынося степень из логарифма, мы вновь сужаем ОДЗ. Обратная процедура приводит к расширению области допустимых значений. Все эти замечания относятся не только к степени 2, но и к любой четной степени.
Формула перехода к новому основанию
log a b = log c b log c a (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0, c ≠ 1) (8)Тот редкий случай, когда ОДЗ не изменяется при преобразовании. Если вы разумно выбрали основание с (положительное и не равное 1), формула перехода к новому основанию является абсолютно безопасной.
Если в качестве нового основания с выбрать число b, получим важный частный случай формулы (8):
Log a b = 1 log b a (a > 0, a ≠ 1, b > 0, b ≠ 1) (9)
Несколько простых примеров с логарифмами
Пример 1. Вычислите: lg2 + lg50.
Решение. lg2 + lg50 = lg100 = 2. Мы воспользовались формулой суммы логарифмов (5) и определением десятичного логарифма.
Пример 2. Вычислите: lg125/lg5.
Решение. lg125/lg5 = log 5 125 = 3. Мы использовали формулу перехода к новому основанию (8).
Таблица формул, связанных с логарифмами
| a log a b = b (a > 0, a ≠ 1) |
| log a a = 1 (a > 0, a ≠ 1) |
| log a 1 = 0 (a > 0, a ≠ 1) |
| log a (b c) = log a b + log a c (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0) |
| log a b c = log a b − log a c (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0) |
| log a b p = p log a b (a > 0, a ≠ 1, b > 0) |
| log a b = log c b log c a (a > 0, a ≠ 1, b > 0, c > 0, c ≠ 1) |
| log a b = 1 log b a (a > 0, a ≠ 1, b > 0, b ≠ 1) |
Вытекают из его определения. И так логарифм числа b по основанию а определяется как показатель степени, в которую надо возвести число a , чтобы получить число b (логарифм существует только у положительных чисел).
Из данной формулировки следует, что вычисление x=log a b , равнозначно решению уравнения a x =b. Например, log 2 8 = 3 потому, что 8 = 2 3 . Формулировка логарифма дает возможность обосновать, что если b=a с , то логарифм числа b по основанию a равен с . Также ясно, что тема логарифмирования тесно взаимосвязана с темой степени числа .
С логарифмами, как и с любыми числами, можно выполнять операции сложения , вычитания и всячески трансформировать. Но ввиду того, что логарифмы - это не совсем ординарные числа, здесь применимы свои особенные правила, которые называются основными свойствами .
Сложение и вычитание логарифмов.
Возьмем два логарифма с одинаковыми основаниями: log a x и log a y . Тогда сними возможно выполнять операции сложения и вычитания:
log a x+ log a y= log a (x·y);
log a x - log a y = log a (x:y).
log a (x 1 . x 2 . x 3 ... x k ) = log a x 1 + log a x 2 + log a x 3 + ... + log a x k .
Из теоремы логарифма частного можно получить еще одно свойство логарифма. Общеизвестно, что log a 1= 0, следовательно,
log a 1 / b = log a 1 - log a b = - log a b .
А значит имеет место равенство:
log a 1 / b = - log a b.
Логарифмы двух взаимно обратных чисел по одному и тому же основанию будут различны друг от друга исключительно знаком. Так:
Log 3 9= - log 3 1 / 9 ; log 5 1 / 125 = -log 5 125.
