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4.2 对数与对数函数

4.2.1 对数

对数的概念

指数函数 y=ax(a>0,a1)y = a^x \quad (a > 0, \text{且} a \not = 1) 中, 对于 xx 在实数集 R\mathbf{R} 内的每一个值,yy 在正实数集内都有唯一确定的值和它对应;

反之,对于 yy 在实数集内的每一个确定的值 NNxxR\mathbf{R} 内都有唯一确定的值 bb 和它对应。

ab=N(a>0,a1,N>0)\Huge a^b = N \quad (a > 0, \text{且} a \not = 1, N > 0)

上式称为幂指数 bb 是以 aa 为底的 对数

常用符号 log\LARGE \log (拉丁文 logarithm 的缩写)表示对数。

aa 为底 NN 的对数 bb ,记作:

b=logaN(a>0,a1)\Huge b = \log _a N \quad (a > 0, \text{且} a \not = 1)

上式中 log\log 右下角的数 aa 叫做 底数NN 叫做 真数bb 是以 aa 为底 NN对数

实质上,对数式 不过是 指数式 的另一种表达形式而已。 例如,34=81\Large 3^4 = 814=log381\Large 4 = \log _3 81 表达的是同一关系。

对数恒等式

因为 ab=N\Large a^b = N ,根据对数的定义 b=logaN\Large b = \log _a N , 于是得到下面的对数恒等式:

alogaN=N\Huge a^{\log _a N} = N

例如:

2log232=3210log10100=100\large 2^{\log _2 32} = 32 \qquad 10^{\log _{10} 100} = 100

对数的性质

根据对数的定义,在 a>0a > 0a1a \not = 1 时,对数具有以下性质:

  1. logaa=1\large \log _a a = 1 ,即底的对数等于 1;
  2. loga1=0\large \log _a 1 = 0 ,即 1 的对数为 0;
  3. 0 和负数没有对数;

常用对数

底是 10 的对数叫做 常用对数

为了简便,通常把底 10 略去不写,并把“ log\large \log ”写成“ lg\large \lg ”, 即把 log10N\large \log _{10} N 记作 lgN\large \lg N

例如,100 的常用对数可以记为:lg100\lg 100

4.2.2 积、商、幂的对数运算法则

正因数的积的对数等于各因数对数的和

loga(MN)=logaM+logaN\Huge \log _a (MN) = \log _a M + log _a N

因为同底数的幂相乘,不论有多少因数,都是把指数相加, 所以这个运算法则可推广到若干个正因数的积:

loga(N1N2Nk)=logaN1+logaN2++logaNk\large \log _a (N_1 N_2 \cdots N_k) = \log _a N_1 + \log _a N_2 + \cdots + \log _a N_k

两个正数商的对数等于被除数的对数减去除数的对数

logaMN=logaMlogaN\Huge \log _a \frac{M}{N} = \log _a M - \log _a N

正数幂的对数等于幂的指数乘幂的对数

logaMb=blogaM\Huge \log _a M^b = b \log _a M

4.2.3 换底公式与自然对数

换底公式

logbN=logaNlogab\Huge \log _b N = \frac{\log _a N}{\log _a b}

换底公式的解释

利用 常用对数 ,可以求得任意一个正数的以 10 为底的对数。

现在举例说明,如何根据对数的性质,由以 10 为底的对数,求以其他正数 a(a1)\large a (a \not = 1) 为底的对数。

log35\LARGE \log _3 5 (精确到 0.001\large 0.001):

  • log35=x\log _3 5 = x ,写成指数形式得 3x=53^x = 5
  • 两边取常用对数得 lg3x=lg5\lg 3^x = \lg 5 ,即 xlg3=lg5x \lg 3 = \lg 5
  • 所以
    x=lg5lg30.69900.47711.465\large x = \frac{\lg 5}{\lg 3} \approx \frac{0.6990}{0.4771} \approx 1.465

    计算过程中的近似数的精确度一般比结果要求的多取一位小数。

  • log351.465\Large \log _3 5 \approx 1.465

换底公式的证明

logbN=x\log _b N = xbx=Nb^x = N

两边取以 a(a>0,a1)a (a > 0, \text{且} a \not = 1) 为底的对数,得:

xlogaN=logaNx=logaNlogablogbN=logaNlogab\large \begin{align*} & \because \quad & x \log _a N &= \log _a N \\ & \therefore \quad & x &= \frac{\log _a N}{\log _a b} \\ & \therefore \quad & \log _b N &= \frac{\log _a N}{\log _a b} \end{align*}

自然对数

在科学技术中,常常使用以无理数 (自然常数e=2.71828e = 2.718 28 \cdots 为底的对数。

ee 为底的对数叫做 自然对数

自然常数e这个数,怎么就自然了?_哔哩哔哩_bilibili

logeN通常记作:lnN\Huge \log _e N \text{\large 通常记作:} \Huge \ln N

自然对数与常用对数的关系

根据对数的换底公式,可得自然对数与常用对数的关系:

lnN=lgNlgelgN0.4343lnN2.3026lgN\Huge \begin{align*} \ln N &= \frac{\lg N}{\lg e} \approx \frac{\lg N}{0.4343} \\ \ln N & \approx 2.3026 \lg N \end{align*}

实际上,用计算器可直接求自然对数。 例如,求 ln34\ln 34 (精确到 0.0001),可用计算器计算:

按键 MODEMODEMODE 141 \quad 4

按键显示
ln\ln 34 ==3.5264

所以, ln343.5264\ln 34 \approx 3.5264

4.2.4 对数函数

y=logax(a>0,a1,x>0)\Huge y = \log _a x (a > 0, a \not = 1, x > 0)

上式叫做 对数函数

分析对数函数图像

做出 y=log2xy=log12x\Large y = \log _2 x \quad y = \log _ \frac{1}{2} x 的函数图像:

首先做 x,yx, y 值的对应值表。 这个表简便的做法是把 4.1.3 节的两个指数函数

y=2xy=(12)xy = 2^x \qquad y = (\frac{1}{2}) ^x

的数值表里 xxyy 的数值对换,就可得到下面的两个数值表, 并在同一坐标系里,用描点发画出图像:

从这两个函数的的对应值表和图像可看到, y=log2xy = \log _2 x 在区间 (0,)(0, - \infty) 上是增函数, 而 y=log12xy = log _ \frac{1}{2} x(0,+)(0, + \infty) 上是减函数。

这两个函数定义域相同,并且它们的图像都通过点 (1,0)(1, 0)

对数函数的性质

对数函数 y=logax(a>0,a1)\Large y = \log _a x (a > 0, a \not = 1) 具有下列性质:

  1. 定义域是正实数集。值域是 R\mathbf{R}
  2. x=1x = 1 时, y=0y = 0 ,即函数的图像都通过点 (1,0)(1, 0)
  3. 在其定义域内,当 a>1a > 1 是增函数,当 0<a<10 < a < 1 是减函数。