Натуральный логарифм

Натуральный логарифм Определение натурального логарифма Натуральный логарифм числа x — это степень, в которую нужно возвести e, чтобы получить x.   […]

Натуральный логарифм

  • Определение натурального логарифма

    • Натуральный логарифм числа x — это степень, в которую нужно возвести e, чтобы получить x.  
    • Натуральный логарифм e равен 1, а ln 1 равен 0.  
    • Натуральный логарифм может быть определен как площадь под кривой y = 1/x от 1 до x.  
  • Свойства натурального логарифма

    • ln(x) = ln(y) + ln(z) для x > 0 и y > 0.  
    • ln(x/y) = ln(x) — ln(y) для x > 0 и y > 0.  
    • ln(x^y) = y ln(x) для x > 0.  
    • ln(x^y) = (ln(x))/y для x > 0 и y ≠ 0.  
    • ln(x) < ln(y) для 0 < x < y.  
    • lim x→0 ln(1+x)/x = 1.  
    • lim α→0 x^α-1/α = ln(x) для x > 0.  
    • x-1/x ≤ ln(x) ≤ x-1 для x > 0.  
    • ln(1+x^α) ≤ αx для x ≥ 0 и α ≥ 1.  
  • История и условные обозначения

    • Натуральный логарифм был разработан Грегуаром де Сен-Винсентом и Альфонсом Антонио де Сарасой.  
    • Обозначения lnx и loge x относятся к натуральному логарифму.  
    • В некоторых контекстах log x может означать общий логарифм по основанию 10 или двоичный логарифм.  
  • Интегральное определение

    • Натуральный логарифм положительного действительного числа a можно определить как площадь под графиком гиперболы y = 1/x между x = 1 и x = a.  
    • Это интеграл ln(a) = ∫1^a 1/x dx.  
  • Свойства натурального логарифма

    • ln(1) = 0, ln(e) = 1.  
    • ln(xy) = ln(x) + ln(y) для x > 0 и y > 0.  
  • Производная натурального логарифма

    • Производная натурального логарифма равна 1/x.  
    • Это следует из определения логарифма как интеграла или обратной величины экспоненциальной функции.  
  • Серии Тейлора и Меркатора

    • Натуральный логарифм не имеет ряда Маклорена, но имеет серии Тейлора и Меркатора.  
    • Серия Тейлора для ln(x) около 1: ln(x) = ∑k=1∞(-1)k-1(x-1)k/k.  
    • Серия Меркатора для ln(1+x): ln(1+x) = ∑k=1∞(-1)k-1/k(x)k.  
  • Частные случаи и приближения

    • Для натуральных чисел n: ln(n+1/n) = ∑k=1∞(-1)k-1/knk.  
    • Для x ≥ 1/2: ln(x) = −ln(1/x) = ∑k=1∞(x-1)k/kxk.  
    • Для целых положительных n: ln(n+1/n) = ∑k=1∞1/k(n+1)k.  
    • Для x ≥ 0 и x ≠ 0: ln(x) = ln(2x/2) = ln(1+x-1/x+1/1-x-1/x+1).  
  • Бесконечное произведение

    • Натуральный логарифм также может быть выражен как бесконечное произведение: ln(x) = (x-1)∏k=1∞(2/1+x2k).  
  • Интеграл от ln(x)

    • Интеграл от ln(x) равен ln(x) + C, где C — произвольная константа интегрирования.  
    • Интеграл от ln(x) можно вычислить с помощью интегрирования по частям.  
  • Эффективные вычисления ln(x)

    • Для ln(x) при x > 1, чем ближе x к 1, тем быстрее сходимость ряда Тейлора.  
    • ln(123.456) ≈ ln(1.23456) + 2 ln(10).  
  • Натуральный логарифм 10

    • ln(10) ≈ 2.30258509.  
    • ln(a ⋅ 10^n) = ln(a) + n ln(10).  
  • Высокой точности вычисления

    • Для ln(x) с высокой точностью можно использовать метод Гаусса или Ньютона.  
    • Формула ln(x) ≈ π/2M(1, 4/s) − m ln(2) также эффективна.  
  • Специальные функции

    • Некоторые калькуляторы и системы предоставляют функцию log1p для более точных результатов при ln(x) близких к нулю.  
    • IEEE 754-2008 определяет аналогичные функции для двоичных и десятичных логарифмов.  
  • Вычислительная сложность

    • Вычислительная сложность вычисления ln(x) с помощью арифметико-геометрического среднего равна O(M(n) ln(n)).  
  • Продолженные дроби

    • Существуют обобщенные продолженные дроби для ln(1 + x) и ln(1 + x/y).  
    • Эти дроби быстро сходятся для значений, близких к 1.  
  • Комплексные логарифмы

    • Экспоненциальная функция может быть расширена на комплексные числа.  
  • Инверсия экспоненциальной функции

    • Экспоненциальная функция может быть инвертирована для получения комплексного логарифма.  
    • Логарифм обладает большинством свойств обычного логарифма, но имеет две трудности.  
  • Трудности с определением логарифма

    • Ни у одного x нет ex = 0.  
    • e2in = 1 = e0.  
    • Мультипликативное свойство экспоненциальной функции сохраняется, что приводит к многозначности логарифма.  
  • Однозначность логарифма

    • Логарифм может быть однозначным только на плоскости разреза.  
    • Пример: ln i может быть определен как ln(2) или ln(5) или ln(-3) и т.д.  
  • Графики функции натурального логарифма

    • Графики функции натурального логарифма на комплексной плоскости.  
    • Примеры: z = Re(ln(x + yi)), z = |(Im(ln(x + yi)))|, z = |(ln(x + yi))|.  
  • Дополнительные сведения

    • Повторяющийся логарифм.  
    • Логарифм Нейпира.  
    • Список логарифмических тождеств.  
    • Логарифм матрицы.  
    • Логарифмические координаты элемента группы Ли.  
    • Логарифмическое дифференцирование.  
    • Логарифмическая интегральная функция.  
    • Николас Меркатор — первый, кто использовал термин натуральный логарифм.  
    • Полилогарифм.  
    • Функция Фон Мангольдта.  

Полный текст статьи:

Натуральный логарифм

Оставьте комментарий

Прокрутить вверх