Приведены основные свойства логарифма, график логарифма, область определения, множество значений, основные формулы, возрастание и убывание. Рассмотрено нахождение производной логарифма. А также интеграл, разложение в степенной ряд и представление посредством комплексных чисел.
Определение логарифма
Логарифм с основанием a - это функция y(x) = log a x , обратная к показательной функции с основанием a: x(y) = a y .
Десятичный логарифм - это логарифм по основанию числа 10 : lg x ≡ log 10 x .
Натуральный логарифм - это логарифм по основанию числа e : ln x ≡ log e x .
2,718281828459045...
;
.
График логарифма получается из графика показательной функции зеркальным отражением относительно прямой y = x
.
Слева изображены графики функции y(x)
= log a x
для четырех значений основания логарифма
: a = 2
,
a = 8
,
a = 1/2
и a = 1/8
.
На графике видно, что при a > 1
логарифм монотонно возрастает. С увеличением x
рост существенно замедляется. При 0
< a < 1
логарифм монотонно убывает.
Свойства логарифма
Область определения, множество значений, возрастание, убывание
Логарифм является монотонной функцией, поэтому экстремумов не имеет. Основные свойства логарифма представлены в таблице.
| Область определения | 0 < x < + ∞ | 0 < x < + ∞ |
| Область значений | - ∞ < y < + ∞ | - ∞ < y < + ∞ |
| Монотонность | монотонно возрастает | монотонно убывает |
| Нули, y = 0 | x = 1 | x = 1 |
| Точки пересечения с осью ординат, x = 0 | нет | нет |
| + ∞ | - ∞ | |
| - ∞ | + ∞ |
Частные значения
Логарифм по основанию 10 называется десятичным логарифмом
и обозначается так:
Логарифм по основанию e
называется натуральным логарифмом
:
Основные формулы логарифмов
Свойства логарифма, вытекающие из определения обратной функции:
Основное свойство логарифмов и его следствия
Формула замены основания
Логарифмирование - это математическая операция взятия логарифма. При логарифмировании, произведения сомножителей преобразуются в суммы членов.
Потенцирование - это математическая операция обратная логарифмированию. При потенцировании заданное основание возводится в степень выражения, над которым выполняется потенцирование. При этом суммы членов преобразуются в произведения сомножителей.
Доказательство основных формул логарифмов
Формулы, связанные с логарифмами вытекают из формул для показательных функций и из определения обратной функции.
Рассмотрим свойство показательной функции
.
Тогда
.
Применим свойство показательной функции
:
.
Докажем формулу замены основания.
;
.
Полагая c = b
,
имеем:
Обратная функция
Обратной для логарифма по основанию a является показательная функция с показателем степени a .
Если , то
Если , то
Производная логарифма
Производная логарифма от модуля x
:
.
Производная n-го порядка:
.
Вывод формул > > >
Для нахождения производной логарифма, его нужно привести к основанию e
.
;
.
Интеграл
Интеграл от логарифма вычисляется интегрированием по частям : .
Итак,
Выражения через комплексные числа
Рассмотрим функцию комплексного числа z
:
.
Выразим комплексное число z
через модуль r
и аргумент φ
:
.
Тогда, используя свойства логарифма, имеем:
.
Или
Однако, аргумент φ
определен не однозначно. Если положить
, где n
- целое,
то будет одним и тем же числом при различных n
.
Поэтому логарифм, как функция от комплексного переменного, является не однозначной функцией.
Разложение в степенной ряд
При имеет место разложение:
Использованная литература:
И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов, «Лань», 2009.
«Логарифмическая функция, её свойства и график».
Бывалина Л.Л., учитель математики МБОУ СОШ с.Киселевка Ульчского района Хабаровского края
Алгебра 10 класс
Тема урока: «Логарифмическая функция, её свойства и график».
Тип урока: изучение нового материала.
Цели урока:
сформировать представление ологарифмической функции, ее основных свойствах;
сформировать умение выполнять построение графика логарифмической функции;
содействовать развитию умений выявлять свойства логарифмической функции по графику;
развитие навыков работы с текстом, умения анализировать информацию, способность ее систематизировать, оценивать, использовать;
развитие умений работать в парах, микрогруппах (навыки общения, диалога, принятие совместного решения)
Используемые приемы: верные, неверные утверждения, ИНСЕРТ, кластер, синквейн
Оборудование: презентация PowerPoint, интерактивная доска, раздаточный материал (карточки, текстовый материал, таблицы), листы бумаги в клетку,
Ход урока:
Стадия вызова:
Вступление учителя . Мы работаем над освоением темы «Логарифмы». Что на данный момент мы знаем и умеем?
Ответы учащихся.
Знаем : определение, свойства логарифма, основное логарифмическое тождество, формулы перехода к новому основанию, области применения логарифмов.
Умеем
: вычислять логарифмы, решать простейшие логарифмические уравнения, производить преобразования логарифмов.
С каким понятием тесно связано понятие логарифма? (с понятием степени, т.к. логарифм – показатель степени)
Задание учащимся . Используя понятие логарифма, заполните две любые таблицы при
а > 1
и при 0 a
(Приложение №1)
х
1
2
4
8
16
х
1
2
4
8
16
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
| х | | | 1 | 3 | 9 | х | | | 1 | 3 | 9 |
|
| | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 | | 2 | 1 | 0 | -1 | -2 |
Проверка работы групп.
Что представляют собой представленные выражения? (показательные уравнения, показательные функции)
Задание учащимся . Решите показательные уравнения с помощью выражения переменной х через переменную у .
В результате этой работы получаются формулы:
В полученных выражениях поменяем местами х и у . Что получилось у нас?
Как бы вы назвали эти функции? (логарифмические, так как переменная стоит под знаком логарифма). Как записать эту функцию в общем виде? .
Тема нашего урока «Логарифмическая функция, её свойства и график».
Логарифмическая функция – это функция вида, где а – заданное число, а>0 , а≠1 .
Наша задача – научиться строить и исследовать графики логарифмических функций, применять их свойства.
На столах у вас лежат карточки с вопросами. Все они начинаются со слов «Верите ли вы, что…»
Ответ на вопрос может быть только «да» или «нет». Если «да», то справа от вопроса в первом столбце поставьте знак «+», если «нет», то знак «-». Если сомневаетесь - поставьте знак «?».
Работайте в парах. Время работы 3 минуты. (Приложение №2)
| № п/п | Вопросы: | А | Б | В |
| Верите ли вы, что… |
||||
| 1. | Ось Оу является вертикальной асимптотой графика логарифмической функции. | + |
||
| 2. | Показательная и логарифмическая функции взаимно обратные функции | + |
||
| 3. | Графики показательной у=а х и логарифмической функций симметричны относительно прямой у = х. | + |
||
| 4. | Область определения логарифмической функции – вся числовая прямаях (-∞, +∞) | - |
||
| 5. | Область значений логарифмической функции – промежуток у (0, +∞) | - |
||
| 6. | Монотонность логарифмической функции зависит от основания логарифма | + |
||
| 7. | Не каждый график логарифмической функции проходит через точку с координатами (1; 0). | - |
||
| 8. | Логарифмическая кривая это та же экспонента, только по-другому расположенная в координатной плоскости. | + |
||
| 9. | Выпуклость логарифмической функции не зависит от основания логарифма. | - |
||
| 10. | Логарифмическая функция не является ни чётной, ни нечётной. | + |
||
| 11. | Логарифмическая функция имеет наибольшее значение и не имеет наименьшего значения при а > 1 и наоборот при 0 a | - |
||
Заслушав ответы учащихся, заполняется первый столбец сводной таблицы на доске.
Стадия осмысления содержания
(10 мин).
Подводя итоги работы с вопросами таблицы, учитель готовит учеников к мысли, что, отвечая на вопросы, мы пока не знаем, правы мы или нет.
Задание группам
. Ответы на вопросы можно найти, изучив текст §4 стр.240-242. Но предлагаю не просто читать текст, а выбрать одну из четырёх ранее полученных функций:,, , , построить её график и выявить по графику свойства логарифмической функции. Каждый член группы это делает в тетради. А затем на большом листе в клетку строят график функции. После завершения работы представитель каждой из групп выступает с защитой своей работы.
Задание группам.
Обобщите свойства функции для а > 1
и 0 a
(Приложение №3)
Свойства функции у = log a x при a > 1 .
Свойства функции у = log a x , при 0 .
Ось Оу
является вертикальной асимптотой графика логарифмической функции и в случае, когда a>1
, и в случае, когда 0
График функции у = log
a
x
проходит через точку с координатами (1;0)
Задание группам. Докажите, что показательная и логарифмическая функции взаимно обратны.
Ученики в одной системе координат изображают график логарифмической и показательной функции
Рассмотрим одновременно две функции: показательную у = а х и логарифмическую у = log a х .
На рис.2 схематически изображены графики функций у = а x и у = log a х в случае, когда a>1 .
На рис.3 схематически изображены графики функций у = а
x
и у = log
a
х
в случае, когда 0
рис.3.
Справедливы следующие утверждения.
График функции у = log a х симметричен графику функции у = а x относительно прямой у = х .
Множеством значения функции у = а x является множество у>0 , а областью определения функции у = log a х является множество х>0.
Ось Ох является горизонтальной асимптотой графика функции у = а x , а ось Оу является вертикальной асимптотой графика функции у = log a х.
Функция у = а x возрастает при а>1 и функция у = log a х также возрастает при а>1. Функция у = а x убывает при 0у = log a х также убывает при 0
Поэтому показательная у = а
x
и логарифмическая у = log
a
х
функции взаимно обратны.
График функции у = log
a
х
называют логарифмической кривой, хотя на самом деле нового названия можно было не придумывать. Ведь это та же экспонента, что служит графиком показательной функции, только по-другому расположенная на координатной плоскости.
Стадия рефлексии
. Предварительное подведение итогов.
Вернемся к вопросам, рассмотренным в начале урока, и обсудим полученные результаты . Посмотрим, может быть, наше мнение после работы изменилось.
Учащиеся в группах сопоставляют свои предположения с информацией, полученной в ходе работы с учебником, построения графиков функций и описаний их свойств, вносят в таблицу изменения, делятся мыслями с классом, обсуждают ответы на каждый вопрос.
Стадия вызова. Как вы думаете, в каких случаях, при выполнении каких заданий можно применить свойства логарифмической функции?
Предполагаемые ответы учащихся: решения логарифмических уравнений, неравенств, сравнения числовых выражений, содержащих логарифмы, построения, преобразования и исследования более сложных логарифмических функций.
Стадия осмысления содержания
.
Работа
на распознавание графиков логарифмических функций, нахождение области определения, определение монотонности функций. (Приложение №4)
1. Найдите область определения функции:
1) у = log 0,3 х 2) у = log 2 (х-1) 3) у = log 3 (3-х)
(0; +∞) б) (1;+∞) в) (-∞; 3) г) (0;1]
а) х≠0
б) х>0
в)
.
1
2
3
4
5
6
7
1)а, 2)б, 3)в
1)а, 2)в, 3)а
а, в
в
В, С
а)
а)
Чтобы расширить знания по изучаемому вопросу, обучающимся предлагается текст «Применение логарифмической функции в природе и технике». (Приложение №5) Используем технологический прием «Кластер» для сохранения интереса к теме.
«Находит ли эта функция применение в окружающем нас мире?», ответим на этот вопрос после работы над текстом о логарифмической спирали.
Составление кластера «Применение логарифмической функции». Ученики работают в группах, составляя кластеры. Затем происходит защита кластеров, обсуждение их.
Пример кластера.
Применение логарифмической функции
Природа
Рефлексия
О чем вы не имели представления до сегодняшнего урока, и что теперь вам стало ясно?
Что нового вы узнали о логарифмической функции и ее приложениях?
С какими трудностями вы столкнулись при выполнении заданий?
Выделите тот вопрос, который для вас оказался менее понятным.
Какая информация вас заинтересовала?
Составьте синквейн «логарифмическая функция»
Оцените работу своей группы (Приложение №6 «Лист оценки работы группы»)
Домашнее задание: § 4 стр.240-243, № 69-75 (четные)
Литература:
Азевич А.И. Двадцать уроков гармонии: Гуманитарно-математический курс. - М. : Школа-Пресс,1998.-160 с.: ил. (Библиотека журнала «Математика в школе». Вып. 7.)
Заир.Бек С.И. Развитие критического мышления на уроке: пособие для учителей общеобразоват. учреждений. – М. Просвещение, 2011. – 223 с.
Колягин Ю.М. Алгебра и начала анализа. 10 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профильный уровни. – М.: Просвещение, 2010.
Корчагин В.В. ЕГЭ-2009. Математика. Тематические тренировочные задания. – М.: Эксмо, 2009.
ЕГЭ-2008. Математика. Тематические тренировочные задания/ Корешкова Т.А. и др.. – М.: Эксмо, 2008
Логарифмическая функция базируется на понятии логарифма и свойства показательной функции , где (основание степени а больше нуля и не равно единице).
Определение:
Логарифмом числа b по основанию а называется такой показатель степени, в которую нужно возвести основание а, чтобы получить число b.
Примеры:
Напомним основное правило : чтобы получить число, стоящее под логарифмом, необходимо основание логарифма возвести в степень - значение логарифма:
Напомним важные особенности и свойства показательной функции.
Рассмотрим первый случай, когда основание степени больше единицы: :
Рис. 1. График показательной функции, основание степени больше единицы
Такая функция монотонно возрастает на всей своей области определения.
Рассмотрим второй случай, когда основание степени меньше единицы :
Рис. 2. График показательной функции, основание степени меньше единицы
Такая функция монотонно убывает на всей своей области определения.
В любом случае, показательная функция монотонна, принимает все положительные значения и, в силу своей монотонности, каждое положительное значение достигает при единственном значении аргумента. То есть, каждое конкретное значение функция достигает при единственном значении аргумента , корнем уравнения и есть логарифм:
По сути, мы получили обратную функцию. Прямая функция - это когда у нас есть независимая переменная х (аргумент), зависимая переменная у (функция), мы задали значение аргумента и по нему получаем значение функции. Обратная функция: пусть независимой переменной будет у, ведь мы уже оговорили, что каждому положительному значению у соответствует единственное значение х, определение функции соблюдается. Тогда х становится зависимой переменной.
Для монотонной прямой функции существует обратная функция . Суть функциональной зависимости не изменится, если мы введем переобозначение:
Получаем:
Но нам привычнее обозначать независимую переменную за х, а зависимую - за у:
Таким образом, мы получили логарифмическую функцию.
Используем общее правило получения обратной функции для конкретной показательной функции .
Заданная функция монотонно возрастает (согласно свойствам показательной функции), значит, существует обратная ей функция. Напоминаем, что для ее получения необходимо выполнить два действия:
Выразить х через у:
Поменять местами х и у:
Итак, получили функцию, обратную заданной: . Как известно, графики прямой и обратной функции симметричны относительно прямой у=х. проиллюстрируем:
Рис. 3. Графики функций и
Данная задача решается аналогично и справедлива для любого основания степени.
Решим задачу при
Заданная функция монотонно убывает, значит, существует обратная ей функция. Получим ее:
Выразить х через у:
Поменять местами х и у:
Итак, получили функцию, обратную заданной: 
. Как известно, графики прямой и обратной функции симметричны относительно прямой у=х. проиллюстрируем:
Рис. 4. Графики функций и
Заметим, что мы получили логарифмические функции как обратные к показательным.
У прямой и обратной функций есть много общего, но есть и отличия. Рассмотрим это подробнее на примере функций и .
Рис. 5. Графики функций (слева) и (справа)
Свойства прямой (показательной) функции:
Область определения: ;
Область значений: ;
Функция возрастает;
Выпукла вниз.
Свойства обратной (логарифмической) функции:
Область определения: ;
Урок алгебры в 10 классе
Тема: «Логарифмическая функция, её свойства и график»
Цели:
Образовательная : Ввести понятие логарифмической функции с применением прошлого опыта, дать определение. Изучить основные свойства логарифмической функции. Сформировать умение выполнять построение графика логарифмической функции.
Развивающая: Выработать умение выделять главное, сравнивать, обобщать. Формировать графическую культуру учащихся.
Воспитательная: Показать взаимосвязь математики с окружающей действительностью. Формировать навыки общения, диалога, умение работать в коллективе.
Тип урока: Комбинированный
Методы обучения: Частично-поисковый, диалоговый.
Ход урока .
1.Актуализация прошлого опыта:
Учащимся предлагаются устные упражнения с использованием определения логарифма, его свойств, формул перехода к новому основанию, решения простейших логарифмических и показательных уравнений, примеров на нахождение области допустимых значений под логарифмических выражений
Устные упражнения Устная работа.
1) Вычислить, пользуясь определением логарифма: log 2 8; log 4 16;.
2) Вычислить, используя основное логарифмическое тождество:
3) Решите уравнение, используя определение:
4) Выясните, при каких значениях x имеет смысл выражение:
5) Найдите значение выражения, используя свойства логарифмов:
2. Изучение темы. Учащимся предлагается решить показательные уравнения: 2 х =у; () х =у. с помощью выражения переменной х через переменную у. В результате этой работы получаются формулы, которые задают функции, незнакомые учащимся. ,.Вопрос : «Как бы вы назвали эту функции?» учащиеся говорят, что она логарифмическая, так как переменная стоит под знаком логарифма: .
Вопрос . Дайте определение функции. Определение: Функцию, заданную формулой у=log a x называют логарифмической с основанием а (а>0, а 1)
III. Исследование функции y=log a x
Совсем недавно мы ввели понятие логарифма положительного числа по положительному и отличному от 1 основанию а. Для любого положительного числа можно найти логарифм по заданному основанию. Но тогда следует подумать и о функции вида у=log a x, и о ее графике и свойствах. Функцию, заданную формулой у=log a x называют логарифмической с основанием а (а>0, а 1)
Основные свойства логарифмической функции:
1. Областью определения логарифмической функции будет являться все множество положительных действительных чисел. Для краткости его еще обозначают R+. Очевидное свойство, так как каждое положительное число имеет логарифм по основанию а. D (f )=R+
2. Областью значения логарифмической функции будет являться все множество действительных чисел. E (f )= (-∞; +∞)
3 . График логарифмической функции всегда проходит через точку (1;0).
4 . Л логарифмическая функция возраста ет при а >1, и убывает при 0<х<1.
5 . Функция не является четной или нечетной. Логарифмическая функция – функция общего вид а .
6 . Функция не имеет точек максимума и минимума , в области определения непрерывна .
На следующем рисунке представлен график убывающей логарифмической функции - (0
Если построить в одной оси координат показательную и логарифмическую функции с одинаковыми основаниями, то графики этих функций будут симметричны относительно прямой y = x. Данное утверждение показано на следующем рисунке.
Изложенное выше утверждение будет справедливо, как для возрастающих, так и для убывающих логарифмических и показательных функций.
Рассмотрим пример: найти область определения логарифмической функции f(x) = log 8 (4 - 5x).
Исходя из свойств логарифмической функции, областью определения является все множество положительных действительных чисел R+. Тогда заданная функция будет определена для таких х, при которых 4 - 5x>0. Решаем это неравенство и получаем x<0.8. Таким образом, получается, что областью определения функции f(x) = log 8 (4 - 5*x) будет являться промежуток (-∞;0.8)
Графики логарифмической функции в программе GeoGebra
Графики логарифмической функции
1) натуральный логарифм y = ln (x)
2) десятичный логарифм y = lg (x)
3) логарифм по основанию 2 y = ld (x)
V. Закрепление темы
Применяя полученные свойства логарифмической функции решим следующие задания:
1. Найти область определения функции: у=log 8 (4-5x);у= log 0,5 (2х+8);.
3. Схематично построить графики функций:у=log 2 (х+2) -3 у= log 2 (х) +2
Понятие логарифмической функции
Для начала вспомним, что же вообще такое логарифм.
Определение 1
Логарифмом числа $b\in R$ по основанию $a$ ($a>0,\ a\ne 1$) называется число $c$, в которое нужно возвести число $a$, чтобы получить число $b$.
Рассмотрим показательную функцию $f\left(x\right)=a^x$, где $a >1$. Эта функция возрастает, непрерывна и отображает действительную ось на интервал $(0,+\infty)$. Тогда, по теореме о существовании обратной непрерывной функции, у нее в множестве $Y=(0,+\infty)$ существует обратная функция $x=f^{-1}(y)$, которая также непрерывна и возрастает в $Y$ и отображает интервал $(0,+\infty)$ на всю действительную ось. Эту обратную функцию называют логарифмической функцией по основанию $a\ (a >1)$ и обозначается $y={{log}_a x\ }$.
Теперь рассмотрим показательную функцию $f\left(x\right)=a^x$, где $0
Таким образом, мы определили логарифмическую функцию при всех возможных значениях основания $a$. Рассмотрим далее два этих случая отдельно.
1%24"> Функция $y={{log}_a x\ },\ a >1$
Рассмотрим свойства данной функции.
С осью $Oy$ пересечений нет.
Функция положительна, при $x\in (1,+\infty)$ и отрицательна, при $x\in (0,1)$
$y"=\frac{1}{xlna}$;
Точки минимума и максимума:
Функция возрастает на всей области определения;
$y^{""}=-\frac{1}{x^2lna}$;
\[-\frac{1}{x^2lna}Функция выпукла на всей области определения;
${\mathop{lim}_{x\to 0} y\ }=-\infty ,\ {\mathop{lim}_{x\to +\infty } y\ }=+\infty ,\ $;
График функции (Рис. 1).
Рисунок 1. График функции $y={{log}_a x\ },\ a >1$
Функция $y={{log}_a x\ }, \ 0
Рассмотрим свойства данной функции.
Область определения -- интервал $(0,+\infty)$;
Область значения -- все действительные числа;
Функция не является ни четной, ни нечетной.
Точки пересечения с осями координат:
С осью $Oy$ пересечений нет.
При $y=0$, ${{log}_a x\ }=0,\ x=1.$ Пересечение с осью $Ox$: (1,0).
Функция положительна, при $x\in (0,1)$ и отрицательна, при $x\in (1,+\infty)$
$y"=\frac{1}{xlna}$;
Точки минимума и максимума:
\[\frac{1}{xlna}=0-корней\ нет\]
Точек максимума и минимума нет.
$y^{""}=-\frac{1}{x^2lna}$;
Промежутки выпуклости и вогнутости:
\[-\frac{1}{x^2lna}>0\]
График функции (Рис. 2).
Примеры исследования и построения логарифмических функций
Пример 1
Исследовать и построить график функции $y=2-{{log}_2 x\ }$
Область определения -- интервал $(0,+\infty)$;
Область значения -- все действительные числа;
Функция не является ни четной, ни нечетной.
Точки пересечения с осями координат:
С осью $Oy$ пересечений нет.
При $y=0$, $2-{{log}_2 x\ }=0,\ x=4.$ Пересечение с осью $Ox$: (4,0).
Функция положительна, при $x\in (0,4)$ и отрицательна, при $x\in (4,+\infty)$
$y"=-\frac{1}{xln2}$;
Точки минимума и максимума:
\[-\frac{1}{xln2}=0-корней\ нет\]
Точек максимума и минимума нет.
Функция убывает на всей области определения;
$y^{""}=\frac{1}{x^2ln2}$;
Промежутки выпуклости и вогнутости:
\[\frac{1}{x^2ln2} >0\]
Функция вогнута на всей области определения;
${\mathop{lim}_{x\to 0} y\ }=+\infty ,\ {\mathop{lim}_{x\to +\infty } y\ }=-\infty ,\ $;
Рисунок 3.
