Logaritmus
Zavedení logaritmu
V matematice se setkáváme se situací, kdy rovnost mezi čísly můžeme vyjádřit různými způsoby. Ukážeme si vztah mezi mocninou a odmocninou:
Z rovnosti 3^2=9 plyne rovnost \sqrt[2]{9}=3,
z rovnosti 5^3=125 plyne rovnost \sqrt[3]{125}=5.
Nyní zavedeme ještě další zápis pro mocninu a^v=r, kde základ a je kladné reálné číslo různé od jedné.
Poznámka
- Důvod, proč uvažujeme pouze základ a>0, a\neq 1~ naznačíme v kapitole o exponenciálních funkcích.
- Předpokládejme, že a je kladné rálné číslo různé od jedné. Když toto číslo umocníme, získáme také kladné reálné číslo. Proto i mocnina r bude kladné reálné číslo.
Skryj
Logaritmus čísla r>0 o základu
a>0, a\neq 1 je takové číslo v,
pro které platí: a^v=r.
\log_a{r}=v~~\Leftrightarrow~~a^v=r.
Zápis
\log_a{r}=v čteme
"logaritmus r o základu a je v".
Číslo
a nazýváme
základ logaritmu,
číslo
r nazýváme
argument logaritmu,
číslo
v nazýváme
logaritmus.
Příklad 2.1
Přepište následující rovnosti pomocí definice logaritmu:
-
a) 2^3=8
-
b) 3^{(-2)}=\frac{1}{9}
-
c) 25^{\frac{1}{2}}=5
Řešení
Využijeme definici logaritmu
\log_a{r}=v~~\Leftrightarrow~~a^v=r.
a)
- Základ mocniny a=2 použijeme jako základ logaritmu,
- exponent v=3 jako logaritmus,
- mocninu r=8 jako argument logaritmu.
- Zapíšeme výsledek: \log_2{8}=3.
Zápis řešení:
-
a) \log_2{8}=3
-
b) \log_3{\frac{1}{9}}=-2
-
c) \log_{25}{5}=\frac{1}{2}
Cvičení 2.1
Přepište následující rovnosti pomocí definice logaritmu:
2^5=32 |
\log_2{32}=5
|
10^3=1~000 |
\log_{10}{1~000}=3 |
7^0=1 |
\log_7{1}=0 |
3^{-3}=\frac{1}{27} |
\log_3{\frac{1}{27}}=-3 |
16^{\frac{1}{4}}=2 |
\log_{16}{2}=\frac{1}{4} |
(\frac{1}{3})^{-2}=9 |
\log_{\frac{1}{3}}{9}=-2 |
Výpočet logaritmů
Nejprve se naučíme určovat logaritmy daných základů a argumentů.
Příklad 2.2
Vypočítejte:
-
a) \log_3{9}
-
b) \log_2{16}
|
-
c) \log_6{\frac{1}{36}}
-
d) \log_8{2}
|
Řešení
a)
- Hledané číslo si označíme symbolem ?: \log_3{9}=?.
- Přepíšeme rovnost pomocí definice logaritmu \log_a{r}=v~~\Leftrightarrow~~a^v=r tj. 3^?=9.
- Určíme hledané číslo. Ptáme se, na kolikátou musíme umocnit číslo 3, abychom získali číslo 9.
- Snadno uhodneme, že hledané číslo je 2, protože 3^2=9.
- Zapíšeme výsledek: \log_3{9}=2.
Zápis řešení:
-
a) \log_3{9}=? \rightarrow 3^?=9 \rightarrow ?=2, proto \log_3{9}=2
-
b) \log_2{16}=? \rightarrow 2^?=16 \rightarrow ?=4, proto \log_2{16}=4
-
c) \log_6{\frac{1}{36}}=? \rightarrow 6^?=\frac{1}{36} \rightarrow ?=-2, proto \log_6{\frac{1}{36}}=-2
-
d) \log_8{2}=? \rightarrow 8^?=2 \rightarrow ?=\frac{1}{3}, proto \log_8{2}=\frac{1}{3}
Cvičení 2.2
Vypočítejte:
\log_7{7}=? |
7^?=7 |
?=1 |
\log_7{7}=1 |
\log_4{16}=? |
4^?=16 |
?=2 |
\log_4{16}=2 |
\log_{11}{1}=? |
11^?=1 |
?=0 |
\log_{11}{1}=0 |
\log_2{\frac{1}{8}}=? |
2^?=\frac{1}{8} |
?=-3 |
\log_2{\frac{1}{8}}=-3 |
\log_{\frac{1}{3}}{9}=? |
(\frac{1}{3})^?=9 |
?=-2 |
\log_{\frac{1}{3}}{9}=-2 |
\log_9{3}=? |
9^?=3 |
?=\frac{1}{2} |
\log_9{3}=\frac{1}{2} |
\log_{\frac{2}{7}}{\frac{7}{2}}=? |
(\frac{2}{7})^?=\frac{7}{2} |
?=-1 |
\log_{\frac{2}{7}}{\frac{7}{2}}=-1 |
\log_{\frac{1}{4}}{0,5}=? |
(\frac{1}{4})^?=0,5 |
?=\frac{1}{2} |
\log_{\frac{1}{4}}{0,5}=\frac{1}{2} |
Určování základu a argumentu logaritmu
Při řešení logaritmických a exponenciálních rovnic bude třeba určit neznámý základ či argument logaritmu. V následujícím příkladu se naučíme základy a argumenty logaritmů počítat.
Příklad 2.3
Určete
x \in R, aby byla splněna rovnost:
-
a) \log_x{16}=4
-
b) \log_8{x}=\frac{1}{3}
Řešení
a) Nejprve ukážeme, jak vypočítat základ logaritmu v rovnosti \log_x{16}=4.
- Přepíšeme rovnost podle definice logaritmu \log_a{r}=v~~\Leftrightarrow~~a^v=r.
\log_x{16}=4~~\Leftrightarrow~~x^4=16
- Řešení této rovnice můžeme uhodnout nebo ji vyřešit odmocněním: x=\sqrt[4]{16}=2.
- Zapíšeme výsledek: x=2.
Poznámka
Malé nepřesnosti jsme se dopustili, když jsme uvedli, že rovnici
x^4=16~ můžeme vyřešit odmocněním. Odmocněním můžeme ztratit záporné kořeny této rovnice. Záporné kořeny ale neuvažujeme, protože logaritmus je definován pouze pro kladný základ různý od jedné.
Skryj
b) V rovnosti \log_8{x}=\frac{1}{3} vypočítáme argument logaritmu.
- Opět přepíšeme rovnost podle definice logaritmu \log_a{r}=v~~\Leftrightarrow~~a^v=r.
\log_8{x}=\frac{1}{3}~~\Leftrightarrow~~8^{\frac{1}{3}}=x
- Z této rovnice přímo vidíme, jak vypočítat neznámou x=8^{\frac{1}{3}}=2.
- Zapíšeme výsledek x=2.
Zápis řešení:
-
a) \log_x{16}=4 \rightarrow x^4=16 \rightarrow x=2
-
b) \log_8{x}=\frac{1}{3} \rightarrow 8^{\frac{1}{3}}=x \rightarrow x=2
Cvičení 2.3
Určete
x \in R, aby byla splněna rovnost:
\log_x{8}=1 |
x^1=8 |
x=8 |
\log_3{x}=4 |
3^4=x |
x=81 |
\log_5{x}=0 |
5^0=x |
x=1 |
\log_x{\frac{1}{4}}=2 |
x^2=\frac{1}{4} |
x=\frac{1}{2} |
\log_x{125}=-3? |
x^{-3}=125 |
x=\frac{1}{5} |
\log_{\frac{1}{4}}{x}=-3? |
(\frac{1}{4})^{-3}=x |
x=64 |
Vlastnosti logaritmů
Ve cvičeních 2.2 a 2.3 jsme se setkali s několika příklady, kdy byl logaritmus roven nule nebo jedné. Než začnete číst další odstavec, zkuste se podívat, co měly tyto příklady společného.
- Logaritmus byl roven nule, pokud agrumnet logaritmu byl roven jedné.
- Logaritmus byl roven jedné, pokud základ i argument logaritmu byl stejný.
Poznámka
- Logaritmus byl roven nule vždy, když argument logaritmu byl roven jedné. To přímo plyne z rovnosti a^0=1 pro libovolné a\neq 0, což základ logaritmu určitě splňuje. Pokud tuto rovnost přepíšeme dle definice logaritmu, dostáváme \log_a{1}=0.
- Jiná souvislost je vidět u logaritmů, které jsou rovny jedné. Argumenty a základy těchto logaritmů jsou stejné. To plyne z rovnosti a^1=a. Pokud tuto rovnost opět přepíšeme dle definice logaritmu, dostáváme \log_a{a}=1.
Skryj
Již jsme zjistili, kdy je logaritmus roven nule nebo jedné. V následující tabulce přehledně uvedeme, jakých hodnot logaritmus nabývá v závislosti na základu a argumentu logaritmu.
a \in (0,1) |
a \in (1,+\infty) |
r |
\log_a{r} |
r |
\log_a{r} |
(0,a) |
(1,+\infty) |
(0,1) |
(-\infty,0) |
\{a\} |
\{1\} |
\{1\} |
\{0\} |
(a,1) |
(0,1) |
(1,a) |
(0,1) |
\{1\} |
\{0\} |
\{a\} |
\{1\} |
(1,+\infty) |
(-\infty,0) |
(a,+\infty) |
(1,+\infty) |
Příklad 2.4
Rozhodněte, zda je logaritmus kladné nebo záporné číslo:
-
a) \log_{12}{3}
-
b) \log_{\frac{2}{3}}{\frac{3}{5}}
Řešení
Ukážeme nejprve obecně platný postup, který využívá výše zmíněnou tabulku. Nejprve se podíváme, jaký je základ logaritmu:
- Základ je z intervalu (0,1).
- Je-li argument menší než jedna, je logaritmus kladné číslo.
- Je-li argument větší než jedna, je logaritmus záporné číslo.
-
Základ je z intervalu (1,+\infty).
- Je-li argument menší než jedna, je logaritmus záporné číslo.
- Je-li argument větší než jedna, je logaritmus kladné číslo.
a) Pro \log_{12}{3} je základ větší než 1 a zároveň argument je větší než 1. Logaritmus proto nabývá kladné hodnoty.
b) Pro \log_{\frac{2}{3}}{\frac{3}{5}} je základ menší než 1 a zároveň argument je menší než 1. Logaritmus proto nabývá kladné hodnoty.
Cvičení 2.4
Rozhodněte, zda je logaritmus kladné nebo záporné číslo:
\log_{7}{\frac{1}{4}} |
záporné |
\log_{\frac{1}{4}}{\frac{1}{6}} |
kladné |
\log_{2}{0,2} |
záporné |
\log_{0,4}{1,3} |
záporné |
Dekadický a přirozený logaritmus
Na závěr této kapitoly se budeme věnovat dvěma nejčastěji používaným logaritmům - dekadickému a přirozenému.
Dekadický logaritmus je logaritmus o základu 10. Byl využíván zejména v době, kdy se používala logaritmická pravítka a tabulky logaritmů k výpočtům složitějších matematický operací (více se o tom zmíníme v kapitole o využití logaritmů v praxi). Základ 10 nebyl zvolen náhodou, ale vycházel ze skutečnosti, že lidé počítají v desítkové soustavě. Dekadický logaritmus je hojně využíván, a proto se zkrátil jeho zápis. Místo
\log_{10} se používá zkrácený zápis \log.
Přirozený logaritmus je logaritmus se základem e. Číslo e je iracionální (podobně jako číslo \pi) a nazývá se Eulerovo číslo. Jeho přibližná hodnota je 2,71. Tento logaritmus je také hojně využíván, a proto byla pro jeho zápis opět vytvořena zkratka. Místo
\log_{e} se používá zkrácený zápis \ln.
Pro libovolné x\in R^+ zapisujeme
\log_{10}{x}=\log{x},
\log_{e}{x}=\ln{x}.
Dekadické a přirozené logaritmy jsou často používány, a proto obsahují kalkulačky funkci na počítání těchto logaritmů (ostatní logaritmy můžeme pomocí těchto logaritmů vypočítat, jak bude ukázáno v následující kapitole).
Příklad 2.5
Na kalkulačce vypočítejte a zaokrouhlete na čtyři desetinná místa:
-
a) \log{25}
-
b) \ln{7}
Řešení
Na kalkulačce zvolíme funkci log nebo ln. Jako argument logaritmu zadáme příslušné číslo.
Zápis řešení:
-
a) \log{25}=1,397~9
-
b) \ln{7}=1,945~9
Cvičení 2.5
Na kalkulačce vypočítejte a zaokrouhlete na čtyři desetinná místa:
\log{156}= |
2,193~1 |
\log{3,1}= |
0,491~4 |
\ln{24}= |
3,178~1 |
\ln{0,5}= |
-0,693~1 |