Логарифмы? Логарифмы… И зачем они нужны?

Логарифмы? Логарифмы… И зачем они нужны?

Савосин Е.П. 1

---

1МБОУ СОШ с.Чернава Измалковского района Липецкой области

Купавых О.В. 1

---

1МБОУ СОШ с. Чернава Измалковского района Липецкой области

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

Изучение темы «Логарифмы» начинается с определения:

Логарифмом положительного числа b по основанию a, где a > 0, a ≠ 1, называется показатель степени, в которую надо возвести число a, чтобы получить число b.

Обычно, такая первая встреча с логарифмами не вызывает у учеников особой радости и энтузиазма, логарифм невольно ассоциируется с чем-то трудным. Многие ворчат: «Ну, кому понадобились эти логарифмы?».

Я тоже задумался над этим и решил узнать мнения людей, окончивших школу, по этому вопросу. Результаты меня озадачили: из 20 опрошенных 15 (75%) считают, что логарифмы не нужно изучать. Так может быть они действительно не нужны? Меня очень заинтересовала эта проблема.

Объект исследования — «история» развития логарифма.

Предмет исследования – частные вопросы создания и применения логарифмов.

Проблема: логарифмы – прихоть математиков или жизненная необходимость?

Гипотеза: логарифмы нужны современному человеку.

Существует связь между звездами, шумом, музыкой, природой и логарифмами.

Цель работы – доказать необходимость изучения логарифмов.

Для достижения своей цели, я выдвинул следующие задачи:

найти, собрать и проанализировать материал по истории возникновения логарифмов;

проанализировать, где в природе встречаются логарифмы;

проанализировать, в каких сферах жизнедеятельности человека применяются логарифмы;

сделать соответствующие выводы по исследовательской работе.

При проведении исследования были использованы следующие методы исследования:

анализ существующей литературы по рассматриваемой проблеме (метод научного анализа).

обобщение и синтез точек зрения, представленных в литературе (метод научного синтеза и обобщения).

моделирование на основе полученных данных авторского видения в раскрытии поставленной проблемы (метод моделирования).

2. Основная часть

2.1. История возникновения и развития логарифмов

Изобретение логарифмов, сократив

работу астронома, продлило ему жизнь.

П.С.Лаплас

Испокон веков люди пытались упростить вычисления: составляли таблицы, вводили приближенные формулы, облегчающие расчеты, пытались заменить сложные операции умножения и деления более простыми – сложением и вычитанием.

Логарифмы также были созданы в 16 веке как средство для упрощения вычислений. В их основе лежит очень простая идея, знакомство с которой приписывается еще Архимеду.

Рассмотрим две прогрессии, арифметическую и геометрическую при b₁ = 2, q = 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (*)

2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024

Оказывается, эти строки позволяют упрощать вычисления. Действительно: если мы хотим перемножить два числа нижнего ряда, например, 16 и 32 , нам достаточно сложить соответствующие числа верхнего ряда: над числом 16 стоит 4, над числом 32 стоит 5; сложим числа 4 и 5 (будет 9) и опустимся вниз – под 9 стоит 512. Значит, 16·32 = 512. (Аналогично выполняется и деление, только числа первого ряда нужно вычитать).

Но это еще не все. С помощью указанных двух строк (*) действие возведения в степень заменяется умножением, а извлечение корня – делением.

Таким образом, каждый раз, когда мы хотим выполнить действия с числами нижнего ряда, мы выполняем более простые операции с числами верхнего ряда. А что представляют собой числа верхнего ряда? Да ведь это же показатели выписанных в нижнем ряду степеней с основанием 2. Действительно, снизу у нас стоят степени 2¹, 2², 2³, 2⁴ и т. д., а вверху только показатели этих степеней 1, 2, 3, 4 и т.д. Так вот показатели степеней и называются логарифмами.

Идея Архимеда получила развитие не сразу. Пока математикам было достаточно уже имевшихся средств вычислений, они проходили мимо этого удивительного свойства прогрессий. Но в эпоху Возрождения ситуация изменилась. Крупнейшие европейские державы стремились к владычеству на море. Для дальних плаваний, для определения положения морских судов по звездам и по солнцу необходимо было всё более развивать астрономию, а значит, и тригонометрию. И, в частности, понадобились более совершенные тригонометрические таблицы. В связи с нарастающими запросами практики продолжали совершенствоваться астрономические инструменты, увеличивалась точность наблюдений, исследовались планетные движения. Обработка полученных данных требовала колоссальных расчетов, и, следовательно, стали необходимы новые средства упрощения вычислений. Такими средствами в 15 – 16 веках явились в первую очередь логарифмы и десятичные дроби.

Рассмотрим, как развивалась дальше идея логарифмов.

Прежде всего, теоретическая подготовка учения о логарифмах тесно связана с развитием понятия степени. Степень с отрицательным показателем встречается уже в трактате «Арифметика» древнегреческого математика Диофанта (ок. 3 в.) из Александрии. Им, а возможно и его предшественниками, были введены особые обозначения для некоторых положительных и отрицательных степеней. С течением времени символика совершенствовалась, и эта идея получила дальнейшее развитие. Так, много позже, французский врач и математик Никола Шюке (ок. 1445 – 1500) в своем трактате «Наука о числе» более полно рассмотрел нулевые и отрицательные показатели степени. Ещё раньше, в 14 веке, епископ города Лизье в Нормандии Николай Орем (ок. 1323 – 1382), исходя из соображений о возможности вставлять в арифметическом ряду между натуральными числами дробные, высказал мысль о том, как надо выражать в рядах (*) соответствующие величины геометрического ряда. Таким образом, он пришел к степеням с дробным показателем.

Особое внимание сопоставлению арифметического и геометрического рядов уделял Михаэль Штифель (1487 – 1567). Подобно Шюке и Орему Штифель пришел к мысли о дробных показателях. Кроме того, сопоставляя ряд натуральных чисел, начинающихся единицей, он отмечал, что соответствующий единице показатель есть нуль, т.е. что a⁰ = 1. Числам верхнего ряда Штифель дал употребительное и поныне название «показателей» (exponent).

Но, кто же стал автором первых таблиц логарифмов, позволяющих свести более сложные действия к более простым?

В истории науки иногда наступают моменты, когда необходимость некоторого открытия осознается многими, а его основная идея как бы витает в воздухе. В таких случаях к открытию приходят не один, а сразу несколько ученых. Так случилось и в истории логарифмов. Однако создатели первых логарифмических таблиц подходили к изобретению нового удобного средства для упрощения вычислений по-разному. Те соображения, которые мы выдвинули чуть раньше, пытаясь предугадать, каким путем пойдет создатель логарифмов, пожалуй, больше всего подходят к Бюрги.

Таблицы Иоста Бюрги были ещё очень несовершенны, правила работы с ними достаточно трудоемки, а многие результаты приходилось находить с помощью дополнительных приближенных приемов вычислений.

Бюрги очень медлил с опубликованием своих таблиц. Они вышли в свет лишь в 1620 году под названием «Таблицы арифметической и геометрической прогрессий, вместе с основательным наставлением, как их нужно понимать и с пользой применять во всяческих вычислениях». Но значительного распространения эти таблицы не получили, так как к моменту опубликования таблиц Бюрги ученому миру уже семь лет были известны другие таблицы, которые составил шотландский барон Джон Непер (1550 – 1617).

При создании таблиц логарифмов Непер исходил из идеи, которую мы сегодня оцениванием как наиболее прогрессивную и оригинальную. Он близко подошел к понятию логарифмической зависимости. Подход Непера позволил определить логарифм любого положительного числа, но сделано это было не скоро. Члены геометрической прогрессии Непер назвал числами, а члены арифметической прогрессии – их логарифмами (от греческих слов «логос» — отношение, «арифмос» — число). Таким образом, книга первых таблиц логарифмов вышла с вполне современным названием «Описание удивительной таблицы логарифмов» (1614).

Интересно, что наряду с вышеуказанными таблицами существовали ещё одни таблицы, которыми можно было пользоваться как средством для упрощения вычислений. Однако их автор не заметил этого, подразумевая совсем иное назначение своих таблиц. Речь идет о таблицах процентов шотландского ученого и инженера Симона Стевина (1548 – 1620).

Итак, можно заметить, что в один смысловой блок собираются такие понятия, как арифметическая и геометрическая прогрессии, степень, проценты, формула сложных процентов и логарифмы.

2.2. Применение логарифмов для познания окружающего мира

Если в 16 веке логарифмы появились как средство для упрощения вычислений, то нужны ли они сегодня, когда вычислительная техника достаточно развита, чтобы справляться с самыми сложными расчетами? Вопрос правомерен. Ведь не изучают же в современной школе такие старые средства для упрощения вычислений, как простейшие счетные приборы, не изучаются древние алгоритмы умножения и деления чисел, извлечения квадратных и кубических корней и прочее. Так зачем изучают логарифмы сегодня? Попробуем ответить на этот интересный вопрос.

Во-первых, логарифмы и сегодня позволяют упрощать вычисления.

Во-вторых, испокон веков целью математической науки было помочь людям узнать больше об окружающем мире, познать его закономерности и тайны.

Ряд явлений природы помогает описать логарифмическая зависимость. Иначе говоря, математики, пытаясь составить математическую модель того или иного явления, достаточно часто обращаются именно к логарифмической функции.

Одним из наиболее наглядных примеров такого обращения является логарифмическая спираль. (см. Приложение 1.) Спираль в одну сторону развертывается до бесконечности, а вокруг полюса, напротив, закручивается, стремясь к нему, но не достигая.

a) Логарифмическая спираль в природе.

Так почему в качестве примера логарифмической зависимости в природе выбирают именно логарифмическую спираль?

Живые существа обычно растут, сохраняя общее начертание своей формы. При этом чаще всего они растут во всех направлениях — взрослое существо и выше и толще детёныша. Но раковины морских животных могут расти лишь в одном направлении. Чтобы не слишком вытягиваться в длину, им приходится скручиваться, причём рост совершается так, что сохраняется подобие раковины с её первоначальной формой. А такой рост может совершаться лишь по логарифмической спирали. (см. Приложение 2.)

Немецкий биолог Румблер в 1910 году выдвинул теорию постоянного краевого угла при построении раковин улиток. Он исходил из того, что материал, из которого строятся раковины, вначале должен быть жидким, и в жидком состоянии попадает на край уже существующей части раковины где, естественно, всегда образуется постоянный краевой угол. Под этим углом жидкость затвердевает, и снова начинается та же игра. Раковина улитки представляет собой логарифмическую спираль.

Но не только раковины многих моллюсков, улиток, а даже рога таких млекопитающих, как архары (горные козлы), закручены по логарифмической спирали (см. Приложение 3.)

Можно сказать, что эта спираль является математическим символом соотношения формы и роста. Великий немецкий поэт Иоганн-Вольфганг Гёте считал её даже математическим символом жизни и духовного развития.

По логарифмической спирали очерчены не только раковины, но и в подсолнухе семечки (см. Приложение 4) расположены по дугам, близким к логарифмической спирали и т. д. Один из наиболее распространённых пауков – эпейра, сплетает нити паутины вокруг центра по логарифмическим спиралям (см. Приложение 5).

По логарифмическим спиралям также закручены и многие галактики, в частности Галактика, которой принадлежит Солнечная система (см. Приложение 6). 1845 г. английский астроном лорд Росс (Уильям Парсонс) с помощью телескопа со 180-сантиметровым металлическим зеркалом обнаружил целый класс туманностей в виде логарифмической спирали, самым ярким примером которых явилась туманность в созвездии Гончих Псов. Природа этих туманностей была установлена лишь в первой половине XX столетия. Спиральные туманности — это огромные звездные системы, сравнимые с нашей Галактикой. С тех пор их и стали называть галактиками. Немало усилий пришлось приложить астрономам, чтобы описать свойства спиральных галактик с помощью логарифмов. В спиральных ветвях наблюдается повышение плотности, как звезд, так и межзвездного вещества — пыли и газа. Повышенная плотность газа ускоряет образование и последующее сжатие газовых облаков и тем самым стимулирует рождение новых звезд. Поэтому спиральные ветви являются местом интенсивного звездообразования.

b) Звёзды, шум и логарифмы.

Известно, что астрономы распределяют звезды по степеням видимой яркости на светила первой величины, второй величины, третьей и т.д. Последовательные звездные величины воспринимаются глазом как члены арифметической прогрессии. Но физическая яркость их изменяется по иному закону: объективные яркости составляют геометрическую прогрессию со знаменателем 2,5. Получается, что «величина» звезды представляет собой не что иное, как логарифм её физической яркости. Оценивая видимую яркость звёзд, астроном оперирует с таблицей логарифмов по основанию 2,5.

Сходным образом оценивается и громкость шума. Вредное влияние промышленных шумов на здоровье рабочих и на производительность труда побудило выработать приёмы точной числовой оценки громкости шума. Единицей громкости служит «бел» (в честь изобретателя А.Г.Белла), практически — его десятая доля, децибел». Последовательные степени громкости — 1бел, 2бела и т.д. (практически — 10 децибел, 20 децибел и т.д.) — составляют для нашего слуха геометрическую прогрессию со знаменателем 10. Разности громкостей в 1 бел отвечает отношение силы шумов 10. Значит, громкость шума, выраженная в белах, равна десятичному логарифму его физической силы.

Рассмотрим несколько примеров. Тихий шелест листьев оценивается в 1 бел, громкая разговорная речь – в 6,5 бел, рычание льва – в 8,7 бела. Отсюда следует, что по силе звука разговорная речь превышает шелест листьев в раз; львиное рычание сильнее громкой разговорной речи в раз.

Шум, громкость которого больше 8 бел, признаётся вредным для человеческого организма. Указанная норма на многих заводах превосходится: здесь бывают 10 бел и более; удары молотка в стальную плиту порождают шум в 11 бел. Шумы эти в 100 и1000 раз сильнее допустимой нормы и в 10 — 1000 раз громче самого шумного места Ниагарского водопада (9 бел).

Случайность ли то, что и при оценке видимой яркости светил и при измерении громкости шума мы имеем дело с логарифмической зависимостью между величиной ощущения и порождающего его раздражения? Нет, и то, и другое – следствие общего закона (называемого «психофизическим законом Фехнера»), гласящего: величина ощущения пропорциональна логарифму величины раздражения. Как видим, логарифмы вторгаются и в область психологии.

c) Логарифмическая спираль в технике.

Логарифмическая спираль знаменита не только тем, что её образы достаточно широко встречаются в природе, но и своими удивительными свойствами.

Логарифмическая спираль (см. Приложение 1) — плоская кривая, описываемая точкой, движущейся по прямой, которая вращается около одной из своих точек (полюса) так, что логарифм расстояния движущейся точки от полюса изменяется пропорционально углу поворота.

В технике часто применяют вращающиеся ножи. Сила, с которой они давят на разрезаемый материал, зависит от угла резания, т.е. угла между лезвием ножа и направлением скорости вращения. Для постоянства давления нужно, чтобы угол резания сохранял постоянное значение, а это будет в том случае, если лезвия ножей очерчены по дуге логарифмической спирали (см. Приложение 7).Величина угла резания зависит от обрабатываемого материала.

В гидротехнике по логарифмической спирали изгибают трубу, подводящую поток воды к лопастям турбины (см. Приложение 7). Благодаря такой форме трубы потери энергии на изменение и направление течения в трубе оказываются минимальными и напор воды используется с максимальной производительностью.

Пропорциональность длины дуги спирали радиус-вектору используют при проектировании зубчатых колёс с переменным передаточным числом. И через середину и конец каждой стороны проводят дуги одинаковых логарифмических спиралей (см. Приложение 7) с полюсами в центрах квадратов, причем одна спираль закручивается по часовой стрелке, а другая – против часовой стрелки. Тогда при вращении этих квадратов дуги спиралей будут катиться одна по другой без скольжения. Передаточное же число, т.е. отношение угловых скоростей этих колёс, будет непрерывно меняться, достигая в течение одного оборота колеса четыре раза максимального значения и четыре раза минимального.

d) Логарифмы и музыка.

«Даже изящные искусства питаются ею.

Разве музыкальная гамма не есть

Набор передовых логарифмов?»

Из «Оды экспоненте»

Музыканты редко увлекаются математикой. Большинство из них питают к этой науке чувство уважения. Между тем, музыканты – даже те, которые не проверяют подобно Сальери у Пушкина “алгеброй гармонию”, встречаются с математикой гораздо чаще, чем сами подозревают, и притом с такими “странными” вещами, как логарифмы. Известный физик Эйхенвальд вспоминал: «Товарищ мой по гимназии любил играть на рояле, но не любил математику. Он даже говорил с оттенком пренебрежения, что музыка и математика друг с другом не имеют ничего общего. Правда, Пифагор нашел какие-то соотношения между звуковыми колебаниями, — но ведь как раз пифагорова – то гамма для нашей музыки и оказалась неприемлемой. Представьте же себе, как неприятно был поражен мой товарищ, когда я доказал ему, что, играя по клавишам современного рояля, он играет, собственно говоря, на логарифмах”.

И действительно, так называемые ступени темперированной хроматической гаммы (12-звуковой) частот звуковых колебаний представляют собой логарифмы. Только основание этих логарифмов равно 2 (а не 10, как принято в других случаях).

Положим, что ноте “до” самой низкой октавы – будем ее называть нулевой – соответствует частота, равная п колебаниям в секунду. В октаве частота колебаний нижнего звука в 2 раза меньше верхнего, т.е. эти частоты соотносятся как 1:2. Тогда ноте “до” первой октавы будут соответствовать 2п колебания в сек., а ноте “до” m-ой октавы — колебания в сек. И т.д.. Тогда высоту, т.е. частоту любого звука можно выразить формулой

Здесь p-номер ноты хроматической гаммы рояля.

Логарифмируя эту формулу, получаем

lg = lg n + m lg2 + +p(lg2)/12,

lg = lg n + (m + p/12)lg2.

Принимая частоту самого низкого “до” за единицу (n = 1) и приводя все логарифмы к основанию 2. имеем

e) Логарифмы в разных отраслях науки

Логарифмы – это математическое понятие, которое применяется во всех отраслях науки: химии, биологии, физике, механике, информатике, электротехнике, географии и многих других.

Статистика постоянно использует понятие среднего. Средняя численность населения, средний уровень инфляции, средняя заработная плата и т.д. Для нахождения средних величин существует коэффициент усреднения он равен ln=2.

При социологических опросах население разбивают на группы по различным признакам: возрастным, социальным и другим. Например: пенсионеры, работающие население, студенты или от 20-35 лет, от 35-55 лет, от 55 и выше. Оптимальное число групп с равными интервалами можно вычислить по формуле Стерджесса , где n – число групп, N- общее число единиц совокупности.

Формула Циолковского. Эта формула, связывающая скорость ракеты V с ее массой m: , где V_r – скорость вылетающих газов, m₀ – стартовая масса ракеты. Скорость истечения газа при сгорании топлива V_r невелика (в настоящее время она меньше или равна 2 км/с). Логарифм растет очень медленно, и для того чтобы достичь космической скорости, необходимо сделать большим отношение , т.е. почти всю стартовую массу отдать под топливо.

Звукоизоляция стен. Коэффициент звукоизоляции стен измеряется по формуле , где p₀ – давление звука до поглощения, p – давление звука, прошедшего через стену, А – некоторая константа, которая в расчетах принимается равной 20 децибелам. Если коэффициент звукоизоляции D равен, например 20 децибел, то это означает, что и p₀ =10p, т.е. стена снижает давление звука в 10 раз. Такую изоляцию имеет деревянная дверь.

Заключение

Сведения, собранные мною в данной работе, — это далеко не всё, что можно рассказать о логарифмах. В заключении обратимся еще раз к основной идее. Мы, обучаясь в школе, не просто впитываем некоторый набор информации. Мы усваиваем научные данные об окружающем мире, о его устройстве и законах. В этот период складывается картина мира, и чем полнее и объективнее она будет, тем лучше мы будем понимать и оценивать окружающую нас жизнь, тем более полноценными людьми будем себя ощущать. Поэтому стоит изучать вопросы, без которых картина мира будет неполноценной. С моей точки зрения, изобретение логарифмов по возможности можно смело поставить рядом с другими, более древним великим изобретением индусов – нашей десятичной системы счисления.

Результаты моего исследования следующие:

В ходе проведения исследовательской работы я нашел подтверждение словам Галилео Галилея «Великая книга природы написана математическими символами»;

Многие природные явления не могли быть изучены без понятия логарифма;

Логарифмы используются для описания природных явлений астрономами, физиками, биологами;

Понятие логарифма широко применяется человеком во многих науках.

Логарифм является инструментом для вычисления радиоактивного распада, изменения количества людей в стране, зависимости скорости ракеты от ее массы, коэффициента звукоизоляции.

Выяснил, что, играя по клавишам современного рояля, музыкант играет, собственно говоря, на логарифмах.

Материалы исследования имеют практическую значимость и могут быть использованы для дальнейшего изучения данной, столь увлекательной, на мой взгляд, темы.

Гипотеза моего исследования, что логарифмы нужны современному человеку, действительно подтвердилась.

Я постарался проследить, как в ходе истории возникала необходимость введения и изучения логарифмов, усиливалась их значимость. Показал применение логарифмов в современном мире. Тем самым, я смог доказать, насколько важно изучать логарифмы для познания окружающего мира.

Литература

Алимов Ш.А. Алгебра и начала анализа.- М.:Просвещение,2016.

Большая электронная энциклопедия «Кирилл и Мефодий»: 2004

Виленкин Н.Я. Алгебра и математический анализ.- М.:Мнемозина,2017.

Колмогоров А.Н. Алгебра и начала анализа.- М.:Просвещение,2016.

Лиман М.М. Школьникам о математике и математиках.- М.:Просвещение,1981.

Самсонов П.И. «Математика»:«Полный курс логарифмов. Естественнонаучный профиль». «Школьная пресса», М.2005

Шахмейстер А.Х. Логарифмы.-2-е изд., исправленное и дополненное — СПб.: «ЧеРо-наНеве»,2005.

Энциклопедия для детей. Т. 11. Математика. – М.: Аванта+, 1998.

Интернет — ресурсы:

http://ru.wikipedia.org/wiki/Логарифм

http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/6332/ЛОГАРИФМ

http://bse.sci-lib.com/article071029.html

Приложение 1. Логарифмическая спираль.

Приложение 2. Раковины многих моллюсков, улиток закручены по логарифмической спирали.

Приложение 3. Рога таких млекопитающих, как архары (горные козлы), закручены по логарифмической спирали.

Приложение 4. В подсолнухе семечки расположены по дугам, близким к логарифмической спирали.

Приложение 5. Паук – эпейр сплетает нити паутины вокруг центра по логарифмическим спиралям.

Приложение 6. По логарифмическим спиралям также закручены и многие галактики, в частности Галактика, которой принадлежит Солнечная система.

Приложение 7. Лезвия вращающихся ножей очерчены по дуге логарифмической спирали. В гидротехнике по логарифмической спирали изгибают трубу, подводящую поток воды к лопастям турбины.

Просмотров работы: 700

school-science.ru

Что такое логарифм? Зачем нужны логарифмы?

        Логарифмы – традиционная головная боль для многих учеников старших классов. Особенно – уравнения и неравенства с логарифмами. Не любят старшеклассники логарифмы почему-то. И поэтому боятся. И совершенно зря.) Ибо сам по себе логарифм – это очень и очень простое понятие. Не верите? Убедитесь сами! В сегодняшнем уроке.

        Итак, поехали знакомиться.)

        Для начала решим в уме вот такое очень простенькое уравнение:

        2^х = 4

        Это простейшее показательное уравнение. Оно так называется из-за того, что неизвестное икс находится в показателе степени. Даже если вы не в курсе, как решаются показательные уравнения, просто в уме подберите икс так, чтобы равенство выполнилось. Ну же?! Ну, конечно же, х = 2. Два в квадрате – это четыре.)

        А теперь я изменю в нём всего одно число. Вот такое уравнение теперь решим:

        2^х = 5

        И снова пробуем подобрать икс…

        Что, никак не подбирается? Два в квадрате – это четыре. Два в кубе – это уже восемь. А у нас – пятёрка. Мимо проскочили… Что делать? Только не говорите мне, что нету такого икса! Не поверю.)

        Согласитесь, что это как-то несправедливо: с четвёркой уравнение решается в уме, а с пятёркой – уже не решается никак. Математика не приемлет такой дискриминации! Для неё все числа – равноправные партнёры.)

        На данном этапе мы можем лишь грубо прикинуть, что икс – какое-то дробное число между двойкой (2² = 4) и тройкой (2³ = 8). Можем даже немного повозиться с калькулятором и приближённо подобрать, найти это число. Но такая возня каждый раз… Согласен, как-то грустно…

        Математика решает данную проблему очень просто и элегантно – введением понятия логарифма.

        Итак, что же такое логарифм? Вернёмся к нашему загадочному уравнению:

        2^х = 5

        Осмысливаем задачу: нам надо найти некое число х, в которое надо возвести 2, чтобы получить 5. Понятна эта фраза? Если нет, перечитайте ещё раз. И ещё… Пока не осознаете. Ибо это очень важно!

        Вот и назовём это загадочное число х логарифмом пятёрки по основанию два! В математической форме эти слова выглядят так:

        x = log₂5

        А произносится эта запись вот так: «Икс равен логарифму пяти по основанию два.»

        Число внизу (двойка) называется основанием логарифма. Пишется снизу так же, как и в показательном выражении 2^х. Запомнить очень легко.)

        Ну, вот, собственно, и всё! Мы решили ужасное на вид показательное уравнение!

        2^х = 5

        x = log₂5

        И всё! Это правильный и совершенно полноценный ответ!

        Может быть, вас смущает, что вместо конкретного числа я пишу какие-то непонятные буковки и значки?

        Ну что ж, ладно, уговорили… Специально для вас:

        x = log₂5 = 2,321928095…

        Имейте в виду, что число это никогда не кончается. Да-да! Иррациональное оно…

        Вот вам и ответ на вопрос, для чего нужны логарифмы. Логарифмы нам нужны, в первую очередь, для решения показательных уравнений! Таких, которые без логарифмов и не решаются вовсе…

        Например, решая показательное уравнение

        3^x = 9,

        про логарифмы можно не вспоминать. Сразу ясно, что х = 2.

 

        А вот, решая уравнение, скажем, такое

        3^х = 7,

        вы приближённо получите вот такой лохматый ответ:

        х ≈ 1,77124375

        Зато через логарифм даётся абсолютно точный ответ:

        х = log₃7.

 

        И все дела.) Вот поэтому и пишут логарифмы вместо некрасивых иррациональных чисел. Кому нужен числовой ответ – посчитает на калькуляторе или хотя бы в Excel.) А раньше, когда калькуляторов и компьютеров не было и в помине, существовали специальные таблицы логарифмов. Объёмные и увесистые. Так же, как и таблицы Брадиса для синусов и косинусов. И даже инструмент такой был – логарифмическая линейка. Которая позволяла с хорошей точностью вычислять массу полезных вещей. И не только логарифмы.)

        Ну вот. Теперь, незаметно для себя, мы научились решать все показательные уравнения такого зверского типа.

        Например:

        2^х = 13

        Никаких проблем:

        x = log₂13

 

        5^х = 26

        Тоже элементарно!

        x = log₅26

 

        11^x = 0,123

        И тут не вопрос:

        x = log₁₁0,123

 

        Это всё верные ответы! Ну как? Заманчиво, правда?

 

        А теперь вдумаемся в смысл самой операции нахождения логарифма.

        Как мы знаем, на каждое действие математики стараются найти противодействие (т.е. обратное действие). Для сложения это вычитание, для умножения это деление. А какое обратное действие есть для возведения в степень?

        Давайте посмотрим. Какие у нас основные действующие фигуры при возведении в степень? Вот они:

        aⁿ = b

        a — основание,

        n — показатель,

        b — собственно сама степень.

        А теперь подумаем: если нам известна степень (b) и известен показатель этой самой степени (n), а найти надо основание (a), то что мы обычно делаем? Правильно! Извлекаем корень n-й степени! Вот так:

        

       А теперь посмотрим на другую ситуацию: нам снова известна степень (b), но на этот раз вместо показателя n нам известно основание (a), а найти как раз надо этот самый показатель (n). Что делать будем?

        Вот тут-то на помощь и приходят логарифмы! Прямо так и пишут:

        

        «Эн» (n) – это число, в которое надо возвести «a», чтобы получить «b». Вот и всё. Вот и весь смысл логарифма. Операция нахождения логарифма – это всего лишь поиск показателя степени по известным степени и основанию.

        Таким образом, для возведения в степень в математике существует два разных по природе обратных действия. Это извлечение корня и нахождение логарифма. А вот, скажем для умножения обратное действие только одно – деление. Оно и понятно: любой из неизвестных множителей – что первый, что второй – ищется с помощью одной операции — деления.)

 

Простейшие примеры с логарифмами.

        А теперь новость не очень хорошая. Если логарифм считается ровно, то его надо считать, да.

        Скажем, если где-то в уравнении вы получили

        x = log₃9,

        то такой ответ никто не оценит. Надо логарифм посчитать и записать:

        х = 2

        А как мы поняли, что log₃9=2? Переводим равенство с математического языка на русский: логарифм девяти по основанию три – это число, в которое надо возвести три, чтобы получить девять. И в какое же число надо возвести тройку, чтобы получить девятку? Ну, конечно! В квадрат надо возвести. То есть, в двойку.)

        А чему равен, скажем, log₅125? А в какой степени пятёрка даёт нам 125? В третьей, разумеется (т.е. в кубе)!

        Стало быть, log₅125 = 3.

 

        Идём дальше.

        log₇7 = ?

        В какую степень надо возвести 7, чтобы получить 7? В первую!

        Вот вам и ответ: log₇7 = 1

 

        А вот такой пример как вам?

        log₃1 = ?

        И в какую же степень надо возвести тройку, чтобы получить единицу? Неужели не догадались? А вы вспомните свойства степеней.) Да! В нулевую! Вот и пишем:

        log₃1 = 0                       

 

        Уловили принцип? Тогда тренируемся:

        log₂16 = …

        log₄64 = …

        log₁₃13 = …

        log₃243 = …

        log₁₅1 = …

        Ответы (в беспорядке): 1; 3; 5; 0; 4.

 

        Что? Забыли, в какой степени 3 даёт 243? Что ж, ничего не поделаешь: степени популярных чисел надо узнавать. В лицо! Ну, и таблица умножения – надёжный спутник и помощник. И не только в логарифмах.)

        Ну вот, совсем простенькие примеры порешали, а теперь шагаем на ступеньку выше. Вспоминаем отрицательные и дробные показатели.)

        Решаем вот такой пример:

        log₄0,25 = ?

        Мда… И в какую же степень надо возвести четвёрку, чтобы получить 0,25? Так с ходу и не скажешь. Если работать только с натуральными показателями. Но степени в математике, как известно, бывают не только натуральными. Самое время подключить наши знания об отрицательных показателях и вспомнить, что

        0,25 = 1/4 = 4^-1

        Стало быть, можно смело записать:

        log₄0,25 = log₄4^-1 = -1.

        И всё.)

 

        Ещё пример:

        log₄2 = ?

        В какую такую степень надо возвести четвёрку, чтобы получить двойку? Для ответа на этот вопрос придётся подключать наши знания о корнях. И вспомнить, что двойка – это корень квадратный из четырёх:

       

       А корень квадратный математика позволяет представить в виде степени! С показателем 1/2. Так и пишем:

Поэтому наш логарифм будет равен:

        Ну что, поздравляю! Вот мы с вами и познакомились с логарифмами. На самом примитивном начальном уровне.) И вы сами лично убедились, что они вовсе не так страшны, как, возможно, вам казалось раньше. Но у логарифмов, как и у любых других математических понятий, есть свои свойства и свои особые фишки. О том и о другом (о свойствах и о фишках) – в следующем уроке.

        А теперь решаем самостоятельно.

        Вычислить:

        

        Ответы (в беспорядке): 4,4; 0; 1; 6; 4; 2.

abudnikov.ru

Как решать логарифмы | ЧтоКак.ру

Логарифм числа b определяет показатель степени для возведения исходного положительного числа a, являющегося основанием логарифма, и получения в результате заданного числа b. Решение логарифма заключается в определении данной степени по заданным числам. Существует несколько базовых правил для определения логарифма или преобразования записи логарифмического выражения. Применяя данные правила и определения можно вычислить логарифмические уравнения, находить производные, решать интегралы и другие выражения. Решение логарифма часто выглядит, как упрощенная логарифмическая запись.

Инструкция

1

Запишите заданное логарифмическое выражение. Если в выражении используется логарифм по основанию 10, то его запись укорачивается и выглядит так: lg b – это десятичный логарифм. Если же логарифм имеет в виде основания натуральное число е, то записывают выражение: ln b – натуральный логарифм. Подразумевается, что результатом любого логарифма является степень, в которую надо возвести число основания, чтобы получилось число b.

2

Решение логарифма заключается в вычислении данной степени. Перед решением логарифмическое выражение, как правило, требуется упростить. Преобразуйте его, используя известные тождества, правила и свойства логарифма.

3

Сложение и вычитание логарифмов чисел b и с по одинаковым основаниям заменяется одним логарифмом с произведением или делением чисел b и с соответственно. Применяйте по необходимости самое распространенное преобразование – формулу перехода логарифма к другому основанию.

4

Используя выражения для упрощения логарифма, учитывайте существующие ограничения. Так основание логарифма а может быть только положительным числом, не равным единице. Число b также должно быть больше нуля.

5

Однако не всегда, упростив выражение, можно вычислить логарифм в его числовом виде. Иногда это не имеет смысла, так как многие степени представляют собой иррациональные числа. В таком случае оставьте степень числа записанной в виде логарифма.

chtokak.ru

от Архимеда до Валлиса и Бернулли – Российский учебник

Как только в учебнике алгебры появляется обозначение log, у школьников всех времен и народов сводит челюсти до зубовного скрежета. Ну разве только особо влюбленных в математику учеников минует эта участь. А большинство школяров закатывают глаза к небу и мучаются извечным вопросом «Зачем?»…

Уверены, в конце статьи вы не только найдете ответ на вопрос, но и сможете с легкостью решить задания из учебника «Алгебра 11 класс» под редакцией А.Г.Мерзляка.

Предпосылки к открытию

Предпосылки к открытию логарифмов были уже в Античности. Архимед знал о связи между арифметической и геометрической прогрессиями, а также о некоторых свойствах степеней с натуральным показателем.

Большой толчок к развитию не только математики, но и других естественных наук дала Эпоха Великих Географических Открытий. Население росло, запасы истощались, и в поисках новых земель и приключений отважные мореплаватели отправлялись бороздить просторы всех шести океанов.

И, чтобы точно проложить курс через моря и океаны, сложить 5 и 7 было явно недостаточно. Нужны были сложные расчеты с привязкой к звездному небу, учитывающие расположение звезд и конфигурацию планет, для определения курса корабля, а калькулятор в карманы лосин, туго обтягивающих бедра капитана корабля, не помещался.

Астрономы тратили несколько месяцев на трудоемкие расчеты с многозначными числами. В середине XV столетия, сопоставляя значения геометрических и арифметических прогрессий, кому-то из светлых умов пришла идея в расчетах заменить умножение многозначных чисел с громоздкими результатами сложением, взяв геометрическую прогрессию за исходную.

Впервые примеры таких расчетов в 1544 году в книге «Arithmetica integra» опубликовал Михаэль Штифель. Революционной идей ученого был переход от целых показателей степеней к произвольным рациональным числам. Однако развивать свою идею дальше и составлять таблицы для вычислений он не стал.

Математика: алгебра и начала математического анализа, геометрия. Алгебра и начала математического анализа. 11 класс. Базовый уровень. Учебное пособие.

Учебное пособие предназначено для изучения алгебры и начал математического анализа в 11 классе общеобразовательных организаций. В нём предусмотрена уровневая дифференциация, позволяющая формировать у школьников позновательный интерес к алгебре и началам математического анализа. Учебное пособие входит в систему «Алгоритм успеха».

Купить

Джон Непер — отец логарифмов

В начале XVI века два ученых, не зная об исследованиях друг друга, опубликовали свои работы по изучению арифметических и геометрических прогрессий:

• В 1614 г. шотландский математик Джон Непер опубликовал книгу «Описание удивительной таблицы логарифмов».
• В 1620 г. из-под пера швейцарского ученого Иоста Бюрги вышел труд «Таблицы арифметической и геометрической прогрессий, вместе с основательным наставлением, как их нужно понимать и с пользой применять во всяческих вычислениях».

Кто-то может посмеяться и сказать: «Одновременно?! Да между книгами прошло 6 лет, и Бюрги украл идею Непера!». Но во времена, когда не было интернета и международных научных симпозиумов, а информация распространялась «голубиной почтой», 6 лет — не такой большой срок. А одновременное открытие логарифмов, в странах разделенных не только расстоянием, но и языковым барьером, как раз свидетельствует о важности этого открытия.

Учитывая, что Джон Непер предложил придуманный им способ вычислений называть логарифм (от греческих слов logos – «отношение» и arithmos – «число», а вместе – «число отношений»), он по праву считается отцом логарифмов. Еще шотландский математик составил специальные таблицы логарифмов синусов, косинусов и тангенсов, с шагом 1 и с точностью до восьми знаков. С началом практического использования таблиц Непера умножение многозначных чисел и извлечение корней значительно упростилось.

Что ещё почитать?

Дальнейшая история логарифмов.

В 1620 году Эдмунд Уингейт предложил модель логарифмической линейки. И до изобретения калькулятора логарифмическая линейка оставалась незаменимым помощником инженеров, мореплавателей, и других ученых, которым требовалась работа с большими числами.

Впоследствии многие ученые создавали свои таблицы логарифмов, уточняя их значения. Не обошел своим вниманием эту тему и Иоган Кеплер — известный ученый не только открыл законы движения небесных тел, но и составил астрономические таблицы, которые опубликовал в 1624 году с восторженным посвящением Джону Неперу, не зная о смерти отца логарифмов.

Наиболее близко к современному определению логарифмирования подошли Валлис (1685) и Иоганн Бернулли (1694). Эйлер окончательно узаконил логарифмирование как математическое действие, обратное возведению в степень.

Многие ученые в своих вычислениях стали пользоваться таблицами логарифмов, а Лаплас Пьер Симон в одном из своих трудов написал фразу, вынесенную в эпиграф статьи: «Изобретение логарифмов, сократив вычисления нескольких месяцев в труд нескольких дней, словно удваивает жизнь астрономов».

Астрономами в то время называли не только любителей звездного неба, каждый вечер настраивающих свои телескопы в поисках новых и сверхновых звезд, а любого ученого, использующего в своих расчетах сложные вычисления.

Другие области применения логарифмической шкалы

Математика – не единственная дисциплина, где используется логарифмическая шкала. Часто, даже не подозревая об этом, мы пользуемся ей в других науках. Например:

• интенсивность звука (децибелы) в физике;
• шкала яркости звёзд в астрономии;
• активность водородных ионов (pH) в химии;
• шкала Рихтера для определения интенсивности землетрясения в сейсмологии;
• логарифмическая шкала времени в истории.

Решать просто уравнения скучно, хотя и очень полезно. Тот, кто решит все задания в учебнике Алгебра 11 класс под редакцией Мерзляка, сдаст ЕГЭ на высокий балл.
Работать с практическими задачами намного интереснее.

Математика: алгебра и начала математического анализа, геометрия. Алгебра и начала математического анализа. 10 класс. Базовый уровень. Учебное пособие.

Учебное пособие предназначено для изучения алгебры и начал математического анализа в 10 классе общеобразовательных организаций. В нем предусмотрена уровневая дифференциация, позволяющая формировать у школьников интерес к алгебре и началам математического анализа. Вместе с программой, дидактическими материалами, методическим пособием для учителя составляет учебно-методический комплект «Алгебра и начала анализа. 10 класс» для базового уровня освоения образовательной программы среднего общего образования. Входит в систему «Алгоритм успеха».

Купить

Методические советы

Практическая задача

Представим, что на Землю нападают противные инопланетные чудовища, покрытые кислотной слизью, которые размножаются делением. Первоначально на землю была заброшена исследовательская шлюпка с 8 тварями на борту. Атмосфера земли оказалась столь прекрасна, что через два часа количество особей увеличилось до 100 штук. И перед землянами стоит задача не только выхватить огнемет и с доблестью, достойной Мстителей истребить инопланетных тварей, но и рассчитать, через какое время захватчики размножатся до 500 штук и поработят землю.

Для решения задачи вспомним также понятия скорости и ускорения

1. 8^х=100 ⇒ х=log₈100 ⇒ – конечное значение скорости размножения тварей при первом изменении v_кон1
2. Проделываем те же расчеты для второго изменения: 
   8^х=500 ⇒ х=log₈500 ⇒ log₈500 – конечное значение скорости размножения тварей при втором изменении v_кон2
3. Зная формулу ускорения
   v=v_нач+at ⇒ a=(v-v_нач)/t
   где а — ускорение,
   t — время
   и приняв, что начальная скорость равна log₈8 =v_нач(наши исходные 8 тварей)
   t₁=2 часа
   t₂=x
   составим уравнения ускорения а₁ = (v_кон1-v_нач)/t₁ ⇒ (log₈100 — log₈8)/ 2
   а₂ = (v_кон2-v_нач)/t₂ ⇒ (log₈500 — log₈8)/ x
4. Поскольку инопланетные твари размножаются с постоянной скоростью, а₁=а₂ ⇒(log₈100 — log₈8)/ 2= (log₈500 — log₈8)/ x
5. Чтобы воспользоваться табличными данными, переведем логарифмы в натуральные, используя формулу
   
   
6. В этом случае выражение примет вид:
   

   ln100 — ln8	=	ln500 — ln8	⇒x=	2(ln500/8)
   2ln8		xln8		ln(100/8)

   
   
7. Посмотрим в таблице справочные данные или вычислим на калькуляторе значения логарифмов и решим уравнение:
   

   x=	2×4,13	≈3.27 часа или 3 часа 18 минут.
   	2,53

Ответ: всего 3 часа 18 минут понадобится инопланетным тварям на захват Земли, если герои Марвел их не остановят.

#ADVERTISING_INSERT#

rosuchebnik.ru