Логарифм. Логарифмічна функція

Логарифм лякає новизною позначення, але за ним стоїть цілком звичне питання: до якого степеня піднести число, щоб дістати інше? Усе інше — властивості, графіки, рівняння — випливає з цієї одної думки. Тому найкорисніше, що можна зробити на початку теми, — навчитися вільно перекладати запис із логарифмічної форми в степеневу і назад.

Означення

Логарифмом числа b>0b > 0 за основою aa (a>0, a1a > 0,\ a \ne 1) називають показник степеня, до якого треба піднести aa, щоб дістати bb:

logab=c    ac=b.\log_a b = c \iff a^c = b.

Наприклад, log28=3\log_2 8 = 3, бо 23=82^3 = 8; log525=2\log_5 25 = 2, бо 52=255^2 = 25.

Обмеження в означенні не випадкові. Число bb має бути додатним, бо додатна основа в будь-якому степені лишається додатною. Основа aa теж додатна й не дорівнює одиниці: 1c=11^c = 1 за будь-якого cc, тож рівняння 1c=b1^c = b для b1b \ne 1 розв'язку не має.

Окремі позначення: десятковий логарифм lgb=log10b\lg b = \log_{10} b і натуральний lnb=logeb\ln b = \log_e b (основа e2,718e \approx 2{,}718).

Основна логарифмічна тотожність і наслідки

alogab=b,logaak=k,loga1=0,logaa=1.a^{\log_a b} = b, \qquad \log_a a^k = k, \qquad \log_a 1 = 0, \qquad \log_a a = 1.

Ці чотири рівності — просто означення, записане по-різному. Наприклад, loga1=0\log_a 1 = 0 означає «до якого степеня піднести aa, щоб дістати 11?» — очевидно, до нульового. А logaak=k\log_a a^k = k читається як «до якого степеня піднести aa, щоб дістати aka^k?».

Властивості логарифмів

Для a>0, a1a > 0,\ a \ne 1, x>0x > 0, y>0y > 0:

loga(xy)=logax+logay,logaxy=logaxlogay,logaxp=plogax.\log_a(xy) = \log_a x + \log_a y, \qquad \log_a\dfrac{x}{y} = \log_a x - \log_a y, \qquad \log_a x^p = p\log_a x.

Логарифм добутку — сума логарифмів

Ці властивості перетворюють множення на додавання: log2(84)=log28+log24=3+2=5\log_2(8\cdot4) = \log_2 8 + \log_2 4 = 3 + 2 = 5.

Вони успадковані від степенів: множенню степенів відповідає додавання показників, а логарифм — це і є показник. Саме тому логарифми колись і винайшли — щоб зводити громіздке множення до додавання.

Зверни увагу, чого серед властивостей немає: логарифма суми. Вираз loga(x+y)\log_a(x + y) не спрощується жодним чином і точно не дорівнює logax+logay\log_a x + \log_a y — останнє є логарифмом добутку.

Приклад 1 — обчислення за властивостями

Обчислимо log345log35\log_3 45 - \log_3 5.

  1. Різниця логарифмів — це логарифм частки: log345log35=log3455\log_3 45 - \log_3 5 = \log_3 \dfrac{45}{5};
  2. рахуємо дріб: log39\log_3 9;
  3. за означенням: 32=93^2 = 9, отже результат 22.

Відповідь: 22. Окремо ані log345\log_3 45, ані log35\log_3 5 «гарних» значень не мають — властивість дозволила уникнути їх обчислення взагалі.

Приклад 2 — основна тотожність

Обчислимо 5log575^{\log_5 7} і log218\log_2 \dfrac{1}{8}.

  1. Перший вираз — це прямо основна тотожність alogab=ba^{\log_a b} = b, отже він дорівнює 77;
  2. для другого: 18=23\dfrac{1}{8} = 2^{-3};
  3. отже log223=3\log_2 2^{-3} = -3.

Відповідь: 77 і 3-3. Другий приклад показує, що логарифм цілком може бути від'ємним — це стається, коли аргумент менший за одиницю (при основі, більшій за неї).

Логарифмічна функція

Логарифмічна функція y=logaxy = \log_a x — обернена до показникової y=axy = a^x. Її властивості:

  • область визначення — x>0x > 0, область значень — усі числа;
  • проходить через точку (1;0)(1;\,0), бо loga1=0\log_a 1 = 0;
  • при a>1a > 1 зростає, при 0<a<10 < a < 1спадає.

Оберненість до показникової означає, що графіки y=axy = a^x і y=logaxy = \log_a x симетричні відносно прямої y=xy = x. Звідси й «дзеркальність» їхніх властивостей: у показникової область визначення — уся пряма, а область значень — додатні числа; у логарифмічної навпаки.

Логарифм від'ємним аргумент не приймає

Записи log2(8)\log_2(-8) чи log30\log_3 0 змісту не мають. А от значення логарифма цілком може бути від'ємним: log20,5=1\log_2 0{,}5 = -1. Плутати аргумент і значення — типова помилка.

Типові помилки

  • Розписують логарифм суми. loga(x+y)\log_a(x+y) не спрощується.
  • Плутають logaxp\log_a x^p і (logax)p(\log_a x)^p. Виносити показник можна лише з-під аргумента: log282=2log28=6\log_2 8^2 = 2\log_2 8 = 6, тоді як (log28)2=9(\log_2 8)^2 = 9.
  • Забувають про область визначення й приймають корені, за яких аргумент недодатний.
  • Вважають, що логарифм не може бути від'ємним.
  • Плутають основу з аргументом. log28=3\log_2 8 = 3, а log82=13\log_8 2 = \dfrac{1}{3} — це різні числа.

Перевір себе

Порада щодо вводу

Відповіді тут числові (напр. 3 або -2). Десятковий і натуральний логарифми у виразах можна писати як lg та ln (напр. lg100).

Розібрані приклади

Так виглядають задачі цієї теми в тренажері. Тут вони розібрані повністю — у самому тренажері числа в умові щоразу нові, а розв’язання відкривається після вашої відповіді.

  1. Приклад 1. Обчислення логарифма

    Обчисліть lg110 \lg \dfrac{1}{10}

    Відповідь: 1-1

    Розв'язання: lg110=1, \lg \dfrac{1}{10} = -1, \ бо 101=110 10^{-1} = \dfrac{1}{10}
  2. Приклад 2. Логарифмічна тотожність

    Обчисліть 2log216 2^{\log_{2} 16}

    Відповідь: 1616

    Розв'язання: 2log216=162^{\log_{2} 16} = 16
  3. Приклад 3. Властивості логарифма

    Обчисліть log24log24 \log_{2} 4 - \log_{2} 4

    Відповідь: 00

    Розв'язання: log24log24=22=0\log_{2} 4 - \log_{2} 4 = 2 - 2 = 0