Logaritme

Lei logaritmes son un ensemble de foncions matematicas, descubèrtas au començament dau sègle XVII, que tènon un ròtle fondamentau dins mai d'una branca dei sciéncias modèrnas. Lo logaritme de basa b d'un nombre reau estrictament positiu es la poissança p a la quala fau montar la basa b per obtenir aqueu nombre. Una escala logaritmica permet de representar sus un meteis grafics de nombres aguent d'òrdres de grandor fòrça diferents. Ansin, lei logaritmes son frequents dins lei formulas utilizadas en sciéncia. Totei lei logaritmes transforman :
 un produch en soma : 
 un quocient en diferéncia : 
 una poissança en produch : 
Pasmens, tres logaritmes son considerats coma pus importants :
 lo logaritme neperian, sovent notat ln, qu'es la foncion recipròca de la foncion exponenciala. Ocupa una plaça majora en analisi matematica. Es lo logaritme de basa e.
 lo logaritme decimau qu'es lo logaritme de basa 10. Intra dins fòrça relacions utilizadas dins lei domenis tecnics.
 lo logaritme binari qu'es lo logaritme de basa 2. Es fòrça important en informatica.
Lo logaritme complèx generaliza la nocion de logaritme ai nombre complèxs. 

 Istòria 

 Lei trabalhs pioniers 


Tre la premiera mitat dau milleni II avC, de nocions pròchas dau logaritme èran conegudas per lei Babilonians. Per exemple, es possible de citar leis algoritmes de multiplicacion d'entiers(en) Eleanor Robson, Mathematics in Ancient Iraq: A Social History, Princeton University Press, 2008, p. 227.. Aqueu metòde permet de multiplicar dos nombres en utilizant solament d'addicions, de sostraccions e una taula de quarts de carrat. Foguèt utilizat fins au sègle XX. En Grècia, lei matematicians antics, eiretiers dei sabers mesopotamians, estudièron de nocions pròchas dau logaritme decimau. En particular, dins son tractat intitulat l'Arenaire, Arquimèdes (287-212 avC) utilizèt un sistèma de « miriadas » per comptar lo nombre de grans d'arena permetent d'emplir totalament l'Univèrs. Per aquò, adoptèt de tecnicas per manipular de chifras importantas que prefiguran en partida lo logaritme(en) Ian Bruce, « Napier’s Logarithms », American Journal of Physics, vol. 68, n° 2, p. 148.. En Asia, se tròban tanben de traças vièlhas de concèptes matematicas liats a de logaritmes de basa Per aquela rason, lo logaritme de basa  es uei utilizat dins certanei regions d'Asia en plaça dau logaritme decimau..

Lei metòdes antics prefigurant lo logaritme foguèron en partida oblidadas durant l'Edat Mejana. Pasmens, a partir dau sègle XV, plusors matematicians estudièron tornarmai lei grands nombre e descurbiguèron de concèptes vesins de la nocion actuala de logaritme. Lo premier es probable lo Francés Nicolas Chuquet († 1488) dins son Triparty en la science des nombres publicat a la fin dau periòde medievau(fr) Hervé L’Huillier, La Géométrie, première géométrie algébrique en langue française (1484), Vrin, 1979.. En Alemanha, Michael Stifel (1487-1567) publiquèt una taula de calculs, realizats a partir de l'estudi de seguidas, que pòu èsser considerada coma una version primitiva de taula de logaritmes binaris(en) Vivian Shaw Groza e Susanne M. Shelley, Precalculus mathematics, Holt, Rinehart and Winston, 1972, p. 182.. En Africa, se pòu egalament citar Ibn Hamza al-Maghribi († 1611) qu'estudièt lei liames entre seguidas aritmeticas e geometricas e publiquèt sei descubèrtas dins un tractat paregut en 1591(fr) Pierre Ageron, « Ibn Hamza a-t-il découvert les logarithmes ? Constitution et circulation du discours islamocentré sur l'histoire des mathématiques », 25-26 de mai de 2010, .. Pasmens, son obratge, publicat en turc, aguèt pas d'influéncia sus sei contemporanèus.

La descubèrta dei logaritmes es de còps coatribuïda a Jost Bürgi (1552-1632). D'efiech, tre la fin dau sègle XVI, publiquèt de taulas trigonometricas que permetián de de realizar de multiplicacions ò de divisions de grands nombres gràcias a un sistèma d'addicions e de sostraccions (prostaferèsi). Puei, desvolopèt de tecnicas de calcul logaritmic que menèron a la publicacion d'una taula d'antilogaritmes en 1620(de) Jost Bürgi, Aritmetische vnd Geometrische Progress Tabulen, sambt gründlichem unterricht, wie solche nützlich in allerley Rechnungen zugebrauchen, vnd verstanden werden sol, 1620.. Pasmens, per de rasons desconegudas, l'edicion dei trabalhs logaritmics de Bürgi foguèt incomplèta. La taula foguèt publicada soleta, sensa explicacion. L'error foguèt pas corregida avans 1856(de) H. Gieswald, Justus Byrg als Mathematiker u. dessen Einleitung in seine Logarithmen, 1856. e la taula de Bürgi demorèt donc pauc utilizada.

 Lei trabalhs de John Napier e lei taulas de logaritmes 


L'invencion dau logaritme es atribuïda au matematician escocés John Napier (1550-1617) qu'escriguèt la premiera teoria clara sus lo subjècte en 1614(en) Ernest William Hobson, John Napier and the invention of logarithms, 1614, The University Press, 1914.. Dins aquò, a la fin de sa vida, Napier, foguèt ajuda per Henry Briggs (1561-1630). Son idèa iniciala èra de realizar de taulas trigonometricas, gràcias a de calculs basats sus la prostaferèsi, per permetre un calcul rapide deis angles entre 0 e 90 °. Destinats a l'astronomia, aquelei calculs avián d'aplicacions importantas en navegacion. Dins aquò, fatigat, Napier s'inquietava fòrça de la preséncia d'errors dins son trabalh car èra conscient de son caractèr inacabat. Per ne'n permetre la correccion après sa mòrt, publiquèt donc lo detalh de son metòde.

Dins sa tecnica de calcul, Napier imaginèt premier un ponch P se desplaçant lòng d'un segment de drecha vèrs un ponch Q. En començant son trajècte a partir dau ponch P0, amb una certana velocitat iniciala, se P se desplaça a una velocitat proporcionala a sa distància a respècte de Q, arribarà jamai a aqueu ponch. Puei, Napier juxtaposèt aquela idèa amb aquela d'un ponch L que se desplaça lòng d'un segment de drecha illimitat en començant au ponch L0 amb una velocitat constanta egala a aquela de la velocitat iniciala dau ponch P. Definiguèt alora la distància de L0 a L coma lo logaritme de la distància de P a Q.

En realizant plusors sostraccions consecutivas, Napier calculèt (1 – 10-7)L per L anant de 1 a 100. Lo resultat per L = 100 èra aproximativament 0,99999 = 1 – 10-5. Puei, calculèt lei produchs d'aquelei nombres amb 107(1 – 10-5)L per L anant de 1 a 50. Apliquèt lo meteis encaminament a 0,9998 ≈ (1 – 10-5)20 e a 0,9 ≈ 0,99520. Après 20 ans de trabalh, obtenguèt, per totei lei valors de N anant de 5 a 10 milions, la valor de L permetent de resòuvre l'eqüacion N = 107(1 – 10-7)L. Dins sei premiers tèxtes, qualifiquèt L de « nombre artificiau » avans d'adoptar lo tèrme « logaritme ».

 La difusion dei trabalhs de Napier 

Lei trabalhs de Napier conoguèron una difusion importanta. En particular, Johannes Kepler (1571-1630), Edmund Wingate (1596-1656) e Bonaventura Cavalieri (1598-1647) aguèron un ròtle centrau dins aqueu movement(en) Eli Maor, e: The Story of a Number, Princeton University Press, 2009, seccion 2.. Per exemple, Kepler demostrèt lèu l'interès dau logaritme dins lei calculs matematics e fisics(en) Y. A. Belyi, « Johannes Kepler and the development of mathematics », Vistas in Astronomy, vol. 18, n°1, 1975, pp. 643-660.. En 1647, lo prèire jesuista Grégoire de Saint-Vincent (1584-1667) descurbiguèt lo caractèr logaritmica de certanei foncions depintant la quadratura de l'iperbòla(fr) Eugenio Manuel Fernández Aguilar (trad. Nathalie Barrié), Archimède : Des mathématiques pures au service des applications, RBA Coleccionables, 2018, pp. 82-83.. Pasmens, lo liame amb lei trabalhs de Napier foguèt realizat dos ans pus tard per un autre matematician jesuista, Alphonse Antonio de Sarasa (1618-1667)(fr) Jean-Pierre Le Goff, « De la méthode dite d'exhaustion - Grégoire de Saint Vincent », dins La démonstration mathématique dans l'histoire, IREM de Besançon.. Aquò permetèt de desvolopar la teoria de Napier e de definir lo concèpte de logaritme naturau (ò neperian)(fr) Simone Trompler, L'histoire des logarithmes, Université libre de Bruxelles, 2002, p. 11.Dins de tèxtes ancians, lei logaritmes neperians son dichs logaritmes « iperbolics » en causa dau ròtle de la quadratura de l'iperbòla dins sa descubèrta..

 Lo liame amb la foncion exponenciala 

A la fin dau sègle XVII, lo nombre e foguèt identificat coma la basa dau logaritme neperian per Leibniz (1646-1716) e Christiaan Huygens (1629-1695)En 1690, Leibniz o notèt b.. Es a dire que ln(e) = 1. Vèrs 1730, Leonhard Euler (1707-1783) formalizèt lo liame entre la foncion exponenciala e lo logaritme neperian(en) Carl B. Boyer, A History of Mathematics, John Wiley & Sons, 1991, pp. 484 e 489..

 Proprietats dei logaritmes 

 Proprietats algebricas 

Lei foncions logaritme son de morfismes continüs non constantament nuls de  vèrs . Per tot nombre reau b estrictament positiu e diferent de 1, lo logaritme de basa b, , es la foncion continua definida sus  que verifica l'eqüacion foncionala seguenta per totei x e y reaus estrictament positius :

 e
 .

Aquela definicion permet de dedurre lei proprietats seguentas :
 .
 .
 .
  per tot entier naturau n, puei per tot entier relatiu n.
  per tot racionau r.

 Cambiament de basa 

Doas foncions logaritmes diferisson que d'una constanta multiplicativa. Ansin, per totei reaus estrictament positius a e b diferents de 1 e per tot reau x > 0 :
 .

Totei lei foncions logaritmes pòdon donc s'escriure per lo mejan d'una unica foncion logaritme, generalament la foncion logaritme neperian. Dins aqueu cas, per tot reau b diferent de 1 e per tot reau x > 0 :
.

 Derivada 

La foncion  es derivabla sus . Sa derivada es egala a :


 Foncions logaritmicas correntas 

 Logaritme neperian 


Lo logaritme neperian (ò logaritme naturau) es la foncion logaritme que sa derivada es la foncion invèrsa definida de  dins  : . Per convencion, es notat « ln » ò « log »La nòrma AFNOR NF X 02-1 01 de 1961 recomanda l'utilizacion de la notacion « ln ». Pasmens, per de rasons istoricas, la notacion log es tradicionala en teoria dei nombres e en informatica.. La basa de la foncion logaritme neperian, notada e, es dicha nombre de Néper(fr) D. Guinin e B. Joppin, Mathématiques MPSI: Exercices, Bréal, 2003, p. 33. ò nombre d'Euler(fr) O. Ferrier, Maths pour économistes : L'Analyse en économie, vol. 1, De Boeck Université, 2006, p. 275.. Es una constanta matematica fòrça importanta que sa valor aproximativa es egala a 2,718.

Lo logaritme neperian es la bijeccion recipròca de la foncion exponenciala. Es a dire que :

 Logaritme decimau 

Lo logaritme decimau es lo logaritme pus practic dins lei calculs numerics manuaus. Es notat « log » ò « log10 »La nòrma internacionala ISO 80000-215 recomanda l'utilizacion de la notacion lg. Pasmens, aquela notacion es pauc frequenta.. Es frequentament utilizat dins la creacion deis escalas logaritmicas, dei marcas semilogaritmicas, dins lo calcul dau pH, etc. Lo logaritme decimau d'un nombre precisa la poissança a la quala es necessari de montar 10 per tornar trobar lo nombre. Ansin, en basa 10 :





 Logaritme binari 

Lo logaritme binari es lo logaritme de basa 2. Èra inicialament d'un usatge limitat ai calculs d'intervals musicaus a partir d'un rapòrt de frequéncias per obtenir d'octavas, de miegs tons e de tons. Pasmens, amb lo desvolopament dei tecnologias de l'informacion, lo logaritme de basa 2 es desenant egalament utilizat per leis ordinators que trabalhan en binari. Lei nòrmas internacionalas recomandan la notacion « lb » per lo logaritme binari mai son usatge es rar.

 Cologaritme 

Lo cologaritme d'un nombre es l'opausat dau logaritme d'aqueu nombre e donc lo logaritme de son invèrs(fr) Alain Bouvier, Michel George e François Le Lionnais, Dictionnaire des mathématiques, Presses universitaires de France, 2001 (1 edicion 1979), p. 159. :

 Generalizacions 

Lo logaritme complèx es la foncion recipròca de l'exponenciala complèxa e generaliza la nocion de logaritme ai nombres complèxes. Lo logaritme discrèt generaliza lei logaritmes ai grops ciclics e a d'aplicacions en criptografia.

 Annèxas 

 Liames intèrnes 
 e.
 Escala logaritmica.
 Identitats logaritmicas.
 Foncion.
 Foncion exponenciala.
 Logaritme binari.
 Logaritme decimau.
 Logaritme neperian.
 Taula de logaritmes.

 Bibliografia 

 (fr) Alain Bouvier, Michel George e François Le Lionnais, Dictionnaire des mathématiques, Presses universitaires de France, 2001.
 (de) Ernst Hairer e Gerhard Wanner, Analysis in historischer Entwicklung, Springer-Verlag, 2011.
 (de) Klaus Jänich, Funktionentheorie. Eine Einführung, Springer, 2004.
 (la) John Napier, Mirifici logarithmorum canonis constructio, 1614.
 (fr) Charles Naux, Histoire des Logarithmes de Neper a Euler, tòmes 1 e 2, Blanchard, 1966 e 1971.
 (de) Wolfgang Walter, Analysis I. Grundwissen Mathematik, tòme 1, Springer, 1985.

 Nòtas e referéncias