Logaritmo

Analisi matematikoan, zenbaki erreal positibo baten logaritmoa (logaritmoaren oinarri jakin batean) zenbaki bat da zeinarekin oinarria berretzen baita zenbaki erreal positibo hori lortzeko. Adibidez, 1000 zenbakiaren logaritmo hamartarra (10 oinarria duen logaritmoa) 3 da, , .

Kenketa batuketaren eta zatiketa biderketaren kontrako eragiketak diren moduan, logaritmoa bere oinarriaren berreketaren aurkako eragiketa da.

Logaritmo-eragiketa adierazteko,  laburdura idazten da, eta, haren ondoren, oinarria azpi-indize modura. Adibidez,  denez,  da. Bi salbuespen nagusi daude: logaritmo hamartarretan () normalean, ez da azpi-indizerik idazten, baizik eta zuzenean  ; eta logaritmo naturaletan (),  laburdura erabiltzen da. Logaritmo naturalari era informalean, logaritmo nepertar ere deitzen zaio, nahiz eta funtsean kontzeptu ezberdinak izan.

John Napier-ek definitu zuen lehenengo aldiz logaritmoa, XVII. mendearen hasieran, kalkuluak errazteko baliabide gisa. Kalkuluaren arauek eta logaritmoen taulen erabilerak eragiketak asko errazten zituztenez, azkar asko zabaldu zen haren erabilera zientzialari, ingeniari eta bankarien artean, besteak beste.

Logaritmoaren egungo ideia Leonhard Euler-i dagokio, funtzio esponentzialarekin erlazionatu baitzuen XVIII. mendean.

Definizioa 
 zenbaki erreal positibo baten logaritmoa ( oinarri jakin batean),  oinarriari ezarri behar zaion  berretzailea da,  bera lortzeko. Beste hitz batzuetan,  ber  funtzioaren alderantzizkoa da. Funtzio hori  idazten da, eta "-ren logaritmoa  oinarrian" irakurtzen da.

Logaritmoaren definizioa egokia izateko,  oinarriak positiboa eta 1en desberdina izan behar du (  0 eta 1 non ),  zenbakiak positiboa izan behar du ( 0 non ), eta  edozein zenbaki erreal izan daiteke ().

Adibideak 

  ; izan ere, .

  ; izan ere, .
 Logaritmoak negatiboak izan daitezke:  ; izan ere, .
  ; izan ere, .

Historia 

Logaritmoen bidezko kalkulua 1614an John Napierrek proposatu zuen lehen aldiz bere Mirifici Logarithmorum liburuan, nahiz eta Joost Bürgi matematikari eta erlojugile suitzarra horien existentziaz lehenago jabetu; izan ere, beranduago argitaratu baitzuen bere aurkikuntza. Hasiera batean, logaritmoen erabilerari uko egin zitzaion arren, Keplerrek horien erabileraren azalpenak liburu batean argitaratu ostean, iritzi hori guztiz aldatu zen, logaritmoen erabilerari hasiera emanez.

Metodo honek zientziaren garapenean lagundu zuen, bereziki astronomian, kalkulu konplexuen ebazpena erraztuz. Logaritmoak gehienbat geodesian, nabigazioan eta matematika aplikatuetan erabili ziren. Kalkuluan duen erabileraz gain, matematika aurreratuan ere garrantzi izugarria du.

Nahiz eta Napierrek gaur egun ezagutzen dugun logaritmoen oinarria ez erabili, hauek ondo funtzionatzen zuten  oinarriarekin interpolazioan eta kalkuluen laguntzan; are gehiago, erabat erabilgarriak ziren 1era jotzen zuten serie geometrikoen kalkuluan. Napierren logaritmoek ez zuten betetzen ,  baizik. Horrela, N zenbaki bat eta L logaritmo bat izanik, ;  delarik, non  gutxi gorabehera  den,  eta  baliokideak izanik.Hasiera batean, Napierrek "zenbaki artifizialak" bezala izendatu zituen logaritmoak eta, aldiz, "zenbaki naturalak" bezala antilogaritmoak. Geroago, logaritmo hitza, proportzio bat adierazten duen zenbaki bat bezala izendatu zuen: logos, proportzio zentzuarekin eta arithmos, ordea, zenbaki zentzuarekin; proportzio edota erlazio bat adierazten duen zenbaki bezala hain zuzen ere. Napierren arabera, bi logaritmoen arteko kendura horiek dituzten zenbakien erlazioa ematen digute, hori kontutan izanik, logaritmoen segida aritmetikoa horiek dituzten zenbakien segida geometrikoa izango da.

Propietate orokorrak 
Edozein logaritmok, edozein oinarritan, honako propietateak betetzen ditu:

Oinarriaren logaritmoa 1 izango da beti,  delako  guztietarako.

1en logaritmoa 0 da beti (edozein oinarritan),  ,  delako  guzietarako

Izan bedi  tartean dagoen zenbaki erreal bat; orduan,  funtzioak balio negatiboa hartzen du, logaritmo negatibo izenekoa. Emaitza nabaria da, 1en logaritmoa 0 delako eta logaritmoa funtzio hertsiki gorakorra delako, haren irudia  da.

Zenbaki negatiboek ez dute logaritmorik  zenbaki errealen gorputzean; edozein  berretzailea izanik,  da. Eragozpen hori ekiditeko, definizio-eremua  zenbaki konplexuen gorputzera heda daiteke. Modu horretan, zenbaki negatiboen logaritmoa kalkula daiteke, logaritmo konplexua edo Euler-en formula erabiliz.

Oinarri bateko ondoz ondoko berreturek progresio geometriko bat osatzen dute; berretzaileek, aldiz, progresio aritmetiko bat. Adibidez, 2ren berreturak  eta haren berretzaileak .

Propietate aljebraikoak 
Identitate logaritmiko izeneko formula batzuen bidez, eragiketa bat maila txikiagoko eragiketa bilaka dezakegu. Hori da logaritmoaren asmakuntzaren arrakastaren arrazoi nagusia. Logaritmoei esker, biderketa batuketa bihur daiteke; zatiketa kenketa, berreketa biderketa, eta  graduko erroa, zatiki. Aldaketa horiek XVII. mendeko astronomian, nabigazioan eta matematikan egiten ziren kalkulu eta eragiketak guztiz aldatu zituen. Hurrengo propietateak oso erabilgarriak dira logaritmoak kalkulatzeko orduan:

- Biderkadura baten logaritmoa faktoreen logaritmoen batuketa da.

- Zatiki baten logaritmoa zatikizunaren logaritmoa ken zatitzailearen logaritmoa da.

- Berreketa baten logaritmoa berretzailearen eta berrekizunaren logaritmoaren arteko biderkadura da.

- Erroketa baten logaritmoa errokizunaren logaritmoa zati erroketaren indizea da.

Aukeraketa eta oinarri aldaketa 
Logaritmo erabilienak logaritmo naturala (), logaritmo hamartarra () eta logaritmo bitarra () dira. Hala ere, oinarriaren aukeraketa ez da erabakigarria, oinarri guztiak elkarren artean proportzionalak baitira. Hurrengo formula erabilgarria da oinarri ezberdineko logaritmoak erlazionatzeko:

,

non  izan baitaiteke onargarria den edozein oinarri.

 eginez:

.

Propietate hau erabiliz, hurrengo bi identitateak lor daitezke:

.

Propietate analitikoak 
Logaritmoen azterketa sakonago batek funtzio edo aplikazioaren kontzeptua eskatzen du. Funtzioa bi multzotako elementuen arteko f erlazioa da, zeinak  multzo bateko  elementu bakoitzari  multzoko  elementu bakarra esleitzen baitio. Adibidez, b-ren x-garren berretzailea edozein x zenbaki errealetarako. Funtzio hori idazkera matematikoan:

Funtzio logaritmikoa 
Logaritmoaren definizioa ziurtatzeko asmoz, ekuazio esponentzialerako ( ) -ren soluzio bakarra existitzen dela frogatu behar da, kontuan izanik ,  eta . Hori frogatzeko, batez besteko balioaren teorema ezinbestekoa da. Teorema horrek dio funtzio jarraitu bateko [m,n] edozein tarte harturik, funtzio horrek tartearen barneko edozein balio hartzen duela. Beste hitzetan, funtzio bat jarraitua izango da, baldin eta, bere grafikoa marraz badaiteke arkatza paperetik altxatu gabe.

Propietate hori  funtzioak betetzen duela froga daiteke,  eta  egokiak aukeratuz,  betetzen dutelarik. Beraz, batez besteko balioaren teoremak ziurtatzen du  ekuazioak baduela soluzioa. Are gehiago, ekuazio horretarako soluzio bakarra dago,  baldin bada.  funtzio hertsiki gorakorra izango da, eta  baldin bada, aldiz, hertsiki beherakorra.

 balioaren soluzio bakarra -ren logaritmoa  oinarrian da, . Honi, funtzio logaritmikoa edo logaritmoa deritzogu.

Alderantzizko funtzioa 
Berretura baten logaritmoa edozein -tarako formula  da. Aurkako moduan, edozein  zenbaki positibo harturik, haren formula  da. Horregatik, logaritmoak eta esponentzialak konbinatzeko (edo konposatzeko) bi erek hasierako zenbakia ematen dute berriro. Beraz, b oinarriko logaritmoaren alderantzizko funtzioa  da.

Funtzioaren hazkuntza edo murriztea 
 funtzioak -ra jotzen du (hau da, emandako edozein zenbaki baino handiago egiten da) -k -ra jotzen duen neurrian,  izanik. Kasu horretan,  funtzio gorakorra da. Hala ere,  bada,  funtzioak -ra jotzen du. Bestalde,  -ra hurbiltzen denean, erako  funtzioak minus infinitura jotzen du (aldiz,  denean, plus infinitura). Izan ere, edozein  oinarritarako, funtzio logaritmikoaren grafikoak (1,0) puntuan mozten du abzisa-ardatza.

Deribatu eta integral mugagabea 

Funtzioen propietate analitikoak eta hauen alderantzizkoenak berdinak dira. Adibidez,  funtzio jarraitua eta diferentziagarria da eta ondorioz  ere horrelakoa izango da. Hizkera arrunta erabiliz, esan daiteke funtzio jarraitu bat diferentziagarria dela honen grafikoak <<puntu zorrotzik>> ez badu. Are gehiago, har dezagun  funtzioaren deribatua -n ebaluatuta funtzio esponentzialaren propietateengatik, katearen erregela erabiliz  funtzioaren deribatua honako hau da:Honen azalpena, b oinarridun logaritmoaren grafikoaren ukitzailearen malda edozein  puntutan  izango dela da. Bereziki,  funtzioaren deribatua  denez, azken honen integral mugatua  da. Aurrekoa orokortuz, edozein  funtzioren logaritmo nepertarraren deribatua honela definitzen da:.

 logaritmo naturalaren integral mugagabea hurrengo hau da:Beste edozein oinarritako logaritmoen integral mugagabeak ekuazio honetatik lor daitezke, oinarria aldatuz.

Logaritmo naturalaren adierazpide integrala 
t zenbakiaren logaritmo naturala bat dator  funtzioaren integralarekin, mugak 1 eta t direlarik:Beste modu batera esanda,  funtzioaren eta OX ardatzaren  tartean dagoen azaleraren balioa  izango da. Hori kalkuluaren oinarrizko teoremaren eta  funtzioaren deribatua  izatearen ondorioa da. Aurreko ekuazioa logaritmo naturalaren definizio bezala ikus daiteke. Gainera, ekuazio horretatik logaritmoen biderketa eta berreturen formulak lor daitezke; adibidez  hurrengo erlaziotik ondoriozta daiteke:Lehenengo berdintzan integrala bi zatitan banatzen da; bigarrenean  aldagai aldaketa erabiltzen da.

Berreketaren formula ere modu berdinean lor daiteke:Bigarren berdintzan  aldagai aldaketa erabiltzen da.

Zenbaki naturalen alderantzizkoen batura, hau da,  serie armonikoa, logaritmo naturalarekin erlazionaturik dago. Izan ere, n infiniturantz doanean,  kendura Euler-Maschenoniren konstante bezala ezagutzen den zenbakirantz konbergentea da. Erlazio hau algoritmoen eraginkortasuna aztertzeko erabiltzen da da.

Kalkulua 
Logaritmo batzuen kalkulua oso erraza da:  , adibidez. Kalkulua zailagoa denean, logaritmoak berretura-serieen edo batezbesteko aritmetiko eta geometrikoen bidez, kalkulatzen dira, edo aldez aurretik kalkulatutako logaritmo taulen bitartez. Newton-en metodoa ere, ekuazioen emaitzak hurbiltzeko iterazio-metodoa erabili daiteke logaritmoa kalkulatzeko, funtzio esponentziala kalkulatzea eraginkorra baita. Logaritmo bitarretan, erlazioa erabil daiteke era errekurtsiboan kalkulatzeko.

Berretura-seriea

Taylor-en seriea 

 tarteko edozein zenbaki erreal izanik, honako berretura-seriea betetzen da:

Serie horrek  zehaztasun arbitrarioarekin hurbiltzen du batugai kopurua nahikoa denean; oinarrizko kalkuluan, beraz,  serie horren limitea da. Adibidez,  izanda, serie bidezko hirugarren ordenako hurbilketan  lortzen da (). Taylor-en serieak -ren hurbilketa berezi bat ematen du  den kasuan:

Orokorpena 
Zenbaki erreal positiboez gain, logaritmo kontzeptua beste multzoetara hedatu daiteke:

Zenbaki errealak 
 eta  zenbaki osoak badira eta batak besteak ez duen faktore lehen bat badu,  irrazionala izango da.

Zenbaki erreal positibo baten logaritmo naturala ongi definituta dago, eta zenbaki erreala da. Zenbaki erreal negatiboen logaritmo naturala definitzeko, ordea, zenbaki konplexuen beharra dago. Zenbaki konplexuen logaritmoekin gertatzen den bezala, zenbaki negatibo baten logaritmoa ez da bakarra.

Zenbaki konplexuak 
[[Fitxategi:Complex_number_illustration_multiple_arguments.svg|link=https://eu.wikipedia.org/wiki/Fitxategi:Complex_number_illustration_multiple_arguments.svg|thumb|z = x + iy zenbaki konplexuaren forma polarra. φ eta φ''' zenbakiaren argumentuak dira.]]

 zenbaki konplexu baten logaritmo naturala, , zenbaki konplexua da eta honako ekuazioaren soluzioa da:

.

Ekuazio horrek infinitu soluzio ditu.  forma polarrean idatzitako zenbaki konplexua izanik,  ekuazioaren soluzio posible bat da:

Soluzio gehiago daudela baieztatu daiteke; edozein balio izanik, zenbaki konplexua ekuazioaren soluzioa da ere:

.

Izatez,  balio bakoitzak Riemann-en gainazal bat definitzen du.

 Oinarri irudikariko logaritmoa 
Oinarri bezala  unitate irudikaria duen logaritmoa erraz kalkulatu daiteke honako formula erabiliz:

non  baita 0 ez den zenbaki irudikari bat.

Hala ere, formula hori soluzio posibleetako bat da;  ekuazioak honako moduko soluzioak ere onartzen ditu:

.

 Matrizeak B matrizea A'' matrizearen logaritmoa da  bada.

Matrizeen berreketarekin ez bezala, matrize erreal baten logaritmoa ezin da beti definitu. Matrize diagonalizagarri baten kasuan, logaritmoa ondo definituta egon behar du matrizearen autobalio bakoitzarentzat. Kasu horretan, matrizearen logaritmoa definituta dago eta autobalio positibodun matrize baten logaritmoa beste matrize erreal bat izango da. 0 zenbakia matrizearen autobalioa bada, bere logaritmoa ez dago definituta.

Logaritmoa definituta badago autobalio multzo batean, eta multzo horretan zenbaki negatiboren bat badago, matrize-logaritmoa definitu daiteke zenbaki negatibo eta konplexuekin egiten den modu berean. Matrize-logaritmo hori ez da bakarra izango.

Matrizea ez bada diagonalizagarria logaritmoa definitzea zailagoa da, matrizearen Jordan-en forma kanonikoa aurkitu behar baita.

Aplikazioak 

Logaritmoak hainbat aplikazio ditu, bai matematika eta baita arlo horretatik kanpo ere. Adibidez, nautilus baten oskolaren ganbera bakoitza hurrengoaren gutxi gorabeherako kopia da, konstante batez biderkaturik; horrek espiral logaritmikoa sortzen du. Logaritmoak antzekotasunarekin ere lotuta daude. Adibidez, problema bat ebaztekotan problema hori bi problema txikiagotan zatitzen duten algoritmoetan agertzen dira. Antzeko forma geometrikoen dimentsioen erlazioa ere lotuta dago logaritmoekin. Gainera, eskala logaritmikoak baliagarriak dira balio baten aldaketa absolutua neurtzeko. Funtzio logaritmikoak ()  handitzen doan neurrian astiro handitzen direnez, eskala logaritmikoak eskala handiko datu zientifikoak konprimatzeko erabiltzen dira. Logaritmoak hainbat formula zientifikotan ere erabiltzen dira: Tsiolkovsky-ren zuziri-ekuazioan, Fenske-ren ekuazioan, Nernst-en ekuazioan...

Eskala logaritmikoak 
Kantitate zientifikoak sarritan agertzen dira beste kantitate batzuekin logaritmo batez erlazionatuta, eskala logaritmikoak erabiliz. Adibidez, Voltai elektrikoa logaritmoarekin deskribatzen da; baita soinuaren maila, dezibelioak, ere. Halaber, optikan agertzen da, argiaren xurgakotasunean.

Lurrikara baten indarra neurtzeko, logaritmo arrunta erabiltzen da, Richter eskalan. Beste eskala logaritmiko baten adibidea itxurazko magnitudeetan agertzen da, izarren distira logaritmoaren laguntzaz neurtzen baita. Kimikan, logaritmo negatiboa erabiltzen da pH-maila neurtzeko: hidrogeno ioien aktibitatea aztertzen da.

Logaritmoerdiak irudikatzeko, eskala logaritmikoaren kontzeptua erabiltzen da; abzisa bat, gehienetan bertikala, logaritmikoki eskalatzen du. Adibidez, eskuineko irudian ikus daiteke milioi batetik bilioi baterako hazkundea eta 1etik milioi baterainoko igoera tarte berdinak direla, ardatz bertikalean. log-log grafikoak bi abzisak logaritmikoki eskalatzen ditu.

Probabilitate teoria eta estatistika 

Logaritmoa probabilitate-teorian agertzen da. Zenbaki handien legearen arabera, txanpon bat airera botata, aterako den gurutze kopuruak infinitura jotzen du; aldiz, aurpegi-gurutze erlazioak, erdira. Izan ere, erlazio horren arteko fluktuazioa logaritmo iteratuaren legearen arabera deskribatzen da.

Logaritmoa log-normal banaketan ere agertzen da. Zorizko aldagai baten logaritmoa banaketa normala duenean, aldagaia log-normal banaketa duela esaten da. Log-normal banaketa arlo askotan aurkitzen da, aldagai bat ausazko zenbaki positibo askeen biderketa bezala eratzen den bakoitzean; esaterako turbulentzien azterketa.

Logaritmoak modelo estatistikoen egiantz-handieneko estimazioan erabiltzen dira. Horrelako modeloetan, egiantza funtzioa, gutxienez, estimatu beharreko parametro baten menpe dago. Egiantz-handieneko funtzioa egiantz logaritmoko parametro-balio maximoan agertzen da, logaritmoa funtzio gorakorra delako. Egiantz logaritmoa maximizatzeko errazagoa da, bereziki ausazko aldagai askeek duten biderkatzen probabilitateengatik.

Benford-en legeak dio hainbat datu-baseetan logaritmoa aurki dezakegula, esaterako eraikuntzen pisuan. Benford-en legearen arabera, lagin bateko edozein zenbakiren lehen dezimalaren balioa  (1tik 9ra)  da, unitatearen neurrian edozein izanik. Ondorioz, lagin bateko datuen %30 1 digituarekin hasten da, %18 2 digituarekin eta abar. Auditoreek Benford-en legea erabiltzen dute zerga-iruzurren desbiderapenak aurkitzeko.

Erreferentziak

Ikus, gainera 
 Logaritmo nepertar
 Logaritmo natural
 Logaritmo hamartar
 Funtzio esponentzial
 e zenbakia

Kanpo estekak 
 Weisstein, Eric W.: "Natural Logarithm" MathWorld-en.

Matematika
Eskoziako asmakizunak
Operazio bitarrak