對數函數(Logarithms)

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指數函數一文說明了 exp⁡:R→(0,∞)\exp : \mathbb{R} \to (0, \infty) 是嚴格遞增且映射到 (0,∞)(0, \infty) 上的滿射。嚴格遞增的函式必然是單射,所以 exp⁡\exp 是雙射——它有唯一的反函式。這個反函式是分析學中最有用的函式之一。

自然對數

定義。 自然對數(natural logarithm) ln⁡:(0,∞)→R\ln : (0, \infty) \to \mathbb{R} 是 exp⁡\exp 的反函式。即:

ln⁡(exp⁡(x))=x對所有 x∈R,(1)\ln(\exp(x)) = x \qquad \text{對所有 } x \in \mathbb{R}, \tag{1} exp⁡(ln⁡(y))=y對所有 y>0.(2)\exp(\ln(y)) = y \qquad \text{對所有 } y > 0. \tag{2}

直觀上,ln⁡(y)\ln(y) 回答了「ee 需要乘方幾次才能得到 yy?」這個問題。由於 exp⁡\exp 雙射地將 R\mathbb{R} 映射到 (0,∞)(0, \infty),這個問題始終有唯一的答案。

立即可得的值

由定義及已知的 exp⁡\exp 性質:

  • ln⁡(1)=0\ln(1) = 0,因為 exp⁡(0)=1\exp(0) = 1。
  • ln⁡(e)=1\ln(e) = 1,因為 exp⁡(1)=e\exp(1) = e。
  • 對所有 n∈Zn \in \mathbb{Z},ln⁡(en)=n\ln(e^n) = n,因為 exp⁡(n)=en\exp(n) = e^n。

這三個錨點值得熟記;它們讓你無需計算機便能快速推算 ln⁡\ln 的值。

對數的乘積法則

定理(乘積法則)。 對所有 x,y>0x, y > 0:

ln⁡(xy)=ln⁡x+ln⁡y.(3)\ln(xy) = \ln x + \ln y. \tag{3}

證明。 令 a≔ln⁡xa \coloneqq \ln x 且 b≔ln⁡yb \coloneqq \ln y,所以 exp⁡(a)=x\exp(a) = x 且 exp⁡(b)=y\exp(b) = y。利用指數的函數方程 exp⁡(a+b)=exp⁡(a)exp⁡(b)\exp(a + b) = \exp(a)\exp(b):

xy=exp⁡(a)⋅exp⁡(b)=exp⁡(a+b).xy = \exp(a) \cdot \exp(b) = \exp(a + b).

對兩側取 ln⁡\ln 並使用等式 (1)(1):

ln⁡(xy)=ln⁡(exp⁡(a+b))=a+b=ln⁡x+ln⁡y.□\ln(xy) = \ln(\exp(a + b)) = a + b = \ln x + \ln y. \qquad \square

直觀上,ln⁡\ln 將乘法轉化為加法——這正是在計算機出現之前對數表(logarithm tables)對算術不可或缺的性質。

(3)(3) 有兩個直接推論。令 y=1/xy = 1/x 得 ln⁡(1/x)=−ln⁡x\ln(1/x) = -\ln x;令 y=xy = x 得 ln⁡(x2)=2ln⁡x\ln(x^2) = 2\ln x。事實上,對所有實數指數都有完整的冪次法則。

對數的冪次法則

定理(冪次法則)。 對所有 x>0x > 0 及 r∈Rr \in \mathbb{R}:

ln⁡(xr)=rln⁡x.(4)\ln(x^r) = r\ln x. \tag{4}

證明概要。 對 r=n∈Nr = n \in \mathbb{N},反覆應用乘積法則 (3)(3):

ln⁡(xn)=ln⁡(x⋅x⋯x⏟n 個)=ln⁡x+ln⁡x+⋯+ln⁡x⏟n 個=nln⁡x.\ln(x^n) = \ln(\underbrace{x \cdot x \cdots x}_{n\text{ 個}}) = \underbrace{\ln x + \ln x + \cdots + \ln x}_{n\text{ 個}} = n\ln x.

對有理數 r=p/qr = p/q(q∈N+q \in \mathbb{N}^+),注意 q⋅ln⁡(xp/q)=ln⁡((xp/q)q)=ln⁡(xp)=pln⁡xq \cdot \ln(x^{p/q}) = \ln((x^{p/q})^q) = \ln(x^p) = p\ln x,所以 ln⁡(xp/q)=pqln⁡x\ln(x^{p/q}) = \tfrac{p}{q}\ln x。對任意實數 rr,等式由 ln⁡\ln 的連續性延伸成立。□\square

冪次法則 (4)(4) 將乘冪化為乘法,就像 (3)(3) 將乘法化為加法一樣。

ln⁡\ln 的導函數

定理。 對所有 x>0x > 0:

ddxln⁡x=1x.(5)\frac{d}{dx}\ln x = \frac{1}{x}. \tag{5}

證明。 令 y=ln⁡xy = \ln x,使得 x=exp⁡(y)x = \exp(y)。利用**反函式定理(inverse function theorem)**對 xx 求導:

1=ddxexp⁡(y)=exp⁡(y)⋅dydx=x⋅dydx.1 = \frac{d}{dx}\exp(y) = \exp(y) \cdot \frac{dy}{dx} = x \cdot \frac{dy}{dx}.

解出 dydx\frac{dy}{dx}:

dydx=1x.□\frac{dy}{dx} = \frac{1}{x}. \qquad \square

這是一個引人注目的結果:ln⁡\ln 的圖形在點 xx 處的斜率恰好是 1/x1/x,沒有任何乘法常數或額外函式。

單調性與邊界行為

由於 (ln⁡x)′=1/x>0(\ln x)' = 1/x > 0 對所有 x>0x > 0 成立,ln⁡\ln 在其整個定義域 (0,∞)(0, \infty) 上嚴格遞增。

兩個邊界點的行為直接由與 exp⁡\exp 的關係得出:

lim⁡x→∞ln⁡x=+∞,lim⁡x→0+ln⁡x=−∞.\lim_{x \to \infty} \ln x = +\infty, \qquad \lim_{x \to 0^+} \ln x = -\infty.

第一個極限成立,因為 exp⁡(t)→+∞\exp(t) \to +\infty(t→+∞t \to +\infty),所以其反函式也必然無界增長。第二個極限成立,因為 exp⁡(t)→0\exp(t) \to 0(t→−∞t \to -\infty)。合在一起,這些確認了 ln⁡\ln 是從 (0,∞)(0, \infty) 到整個 R\mathbb{R} 的雙射,與 exp⁡\exp 從 R\mathbb{R} 雙射到 (0,∞)(0, \infty) 互為鏡像。

自然對數作為積分

有第二種推導 ln⁡\ln 的方式,使導函數公式 (5)(5) 從一開始就顯而易見。定義:

L(x)≔∫1x1t dt(x>0).(6)L(x) \coloneqq \int_1^x \frac{1}{t}\,dt \qquad (x > 0). \tag{6}

由微積分基本定理(Fundamental Theorem of Calculus),L′(x)=1/xL'(x) = 1/x 且 L(1)=0L(1) = 0。可以驗證 LL 滿足與 ln⁡\ln 相同的乘積法則(在積分中換元),且由於兩者都是在 x=1x = 1 處相等且有相同導函數的連續函式,它們完全相同:

ln⁡x=∫1x1t dt.\ln x = \int_1^x \frac{1}{t}\,dt.

這個積分表示有時被取作 ln⁡\ln 的定義,歐拉數 ee 則被恢復為滿足 ∫1e1t dt=1\int_1^e \frac{1}{t}\,dt = 1 的唯一正數。

利用對數定義一般指數

有了 ln⁡\ln,現在可以對任意底數 b>0b > 0 和任意實數指數 x∈Rx \in \mathbb{R}(包括無理數)定義 bxb^x。

定義。 對 b>0b > 0:

bx  ≔  exp⁡(xln⁡b).(7)b^x \;\coloneqq\; \exp(x \ln b). \tag{7}

當 xx 是有理數 p/qp/q 時,這與 bp/qb^{p/q} 的通常算術含義一致(可使用冪次法則 (4)(4) 驗證)。定義 (7)(7) 將其無縫延伸至所有實數指數。

導函數。 對 (7)(7) 用鏈式法則(chain rule)求導:

ddx bx=exp⁡(xln⁡b)⋅ln⁡b=(ln⁡b) bx.\frac{d}{dx}\,b^x = \exp(x \ln b) \cdot \ln b = (\ln b)\,b^x.

額外的因子 ln⁡b\ln b 是 bxb^x 與 exe^x 的區別所在:當 b=eb = e 時,ln⁡e=1\ln e = 1,因子消失——這正是 ee 是「自然」底數的原因。

任意底數的對數

定義。 對 b>0b > 0 且 b≠1b \neq 1,**以 bb 為底的對數(logarithm to base bb)**為:

log⁡b(x)  ≔  ln⁡xln⁡b(x>0).(8)\log_b(x) \;\coloneqq\; \frac{\ln x}{\ln b} \qquad (x > 0). \tag{8}

由此定義,log⁡b(x)=y\log_b(x) = y 若且唯若 by=xb^y = x(代入 (7)(7) 可驗證),與中學代數中熟悉的含義一致。

換底公式

由定義 (8)(8),對任意兩個有效底數 aa 和 bb:

log⁡a(x)=ln⁡xln⁡a=ln⁡xln⁡b⋅ln⁡bln⁡a=log⁡b(x)⋅1log⁡b(a).\log_a(x) = \frac{\ln x}{\ln a} = \frac{\ln x}{\ln b} \cdot \frac{\ln b}{\ln a} = \log_b(x) \cdot \frac{1}{\log_b(a)}.

等價地:

log⁡a(x)=log⁡b(x)log⁡b(a).\log_a(x) = \frac{\log_b(x)}{\log_b(a)}.

實際上,科學計算機提供 log⁡10\log_{10}(常用對數)和 ln⁡\ln;**換底公式(change-of-base formula)**讓你透過其中任一個達到任何其他底數。

摘要

  • 自然對數 ln⁡:(0,∞)→R\ln : (0, \infty) \to \mathbb{R} 是 exp⁡\exp 的反函式:ln⁡(exp⁡(x))=x\ln(\exp(x)) = x 且 exp⁡(ln⁡y)=y\exp(\ln y) = y。
  • 關鍵值:ln⁡1=0\ln 1 = 0,ln⁡e=1\ln e = 1,ln⁡(en)=n\ln(e^n) = n(對所有 n∈Zn \in \mathbb{Z})。
  • 乘積法則: ln⁡(xy)=ln⁡x+ln⁡y\ln(xy) = \ln x + \ln y,由函數方程 exp⁡(a+b)=exp⁡(a)exp⁡(b)\exp(a+b) = \exp(a)\exp(b) 導出。
  • 冪次法則: ln⁡(xr)=rln⁡x\ln(x^r) = r\ln x(對所有 r∈Rr \in \mathbb{R} 及 x>0x > 0)。
  • 導函數: (ln⁡x)′=1/x(\ln x)' = 1/x,由反函式定理證明。
  • ln⁡\ln 在 (0,∞)(0, \infty) 上嚴格遞增;x→∞x \to \infty 時 ln⁡x→+∞\ln x \to +\infty,x→0+x \to 0^+ 時 ln⁡x→−∞\ln x \to -\infty。
  • 積分表示: ln⁡x=∫1x1t dt\ln x = \int_1^x \frac{1}{t}\,dt,這是另一種使導函數公式顯而易見的定義。
  • 一般指數: bx≔exp⁡(xln⁡b)b^x \coloneqq \exp(x \ln b),其導函數為 (ln⁡b) bx(\ln b)\,b^x。
  • 以 bb 為底的對數: log⁡b(x)≔ln⁡xln⁡b\log_b(x) \coloneqq \frac{\ln x}{\ln b};換底公式為 log⁡a(x)=log⁡b(x)log⁡b(a)\log_a(x) = \frac{\log_b(x)}{\log_b(a)}。