Логарифмическая зависимость. Свойства логарифмов и примеры их решений. Исчерпывающий гид (2019)

Степенная или логарифмическая зависимость?

Сравнение коэффициентов корреляции

Еще в XIX в. немецкий философ, один из основоположников научной психологии Г.-Т. Фехнер выдвинул психофизический закон, описывающий зависимость ощущений от величины физической стимуляции. Этот закон, получивший название закона Вебера – Фехнера, предполагал логарифмическую зависимость между энергией стимула, воздействующего на орган чувств, и величиной ощущения, которое этот стимул вызывает. В XX в. американский психофизик С. С. Стивенс подверг критике методологию Фехнера, не предполагавшую возможности непосредственной оценки ощущения. Результатом этой критики стала разработка С. С. Стивенсом ряда методических процедур, которые получили название методов прямой оценки ощущений. На основе получаемых в эксперименте данных стало возможным оценивать связь между величиной стимула и величиной ощущения не только в теории, но и на практике. В результате Стивенс сделал вывод о том, что психофизическая зависимость должна описываться но логарифмической, а степенной функцией.

Посмотрим, каким образом методология Стивенса и простейшие процедуры корреляционного анализа позволяют сравнить данные на предмет их соответствия логарифмическому и степенному психофизическому закону.

Для этого воспользуемся результатами, полученными в одном психофизическом эксперименте (Т. Engen ). В этом эксперименте для оценки концентраций запаха амилацетата (банана), разведенного в диэтилфталате, использовался метод оценки величины с заданным модулем. Каждый из 12 испытуемых дважды проводил оценку семи различных концентраций запаха. В качестве модуля использовалась концентрация 12,5%. Значение модуля задавалось равным 10. В табл. 7.10 представлены усредненные шкальные значения для каждого стимула.

Представим эти результаты в виде диаграммы рассеивания (рис. 7.7). Видно, что по мере нарастания концентрации пахучего вещества увеличивается субъективная оценка его ощущения. Эта зависимость носит монотонный, но, по-видимому, нелинейный характер. Тем не менее вычисление коэффициента корреляции между этими двумя рядами данных дает довольно высокое значение – 0,984. Такой коэффициент корреляции дает объяснение 96,8% дисперсии зависимой переменной (критерия), непосредственно ассоциированной со значением независимой переменной (предиктора), хотя и не имеет под собой каких-либо теоретических оснований.

Таблица 7.10

Субъективная шкала запаха амилацетата, разведенного в диатилфталате (Т. Engen )

Рис. 7.7.

Логарифмический закон Вебера – Фехнера предполагает, что линейная зависимость будет наблюдаться между логарифмами концентрации амилацетата и субъективной оценкой ощущения.

Такая зависимость представляется весьма вероятной, если судить по данным, которые представлены на рис. 7.7. Поэтому осуществим трансформацию использовавшихся в эксперименте концентраций в их натуральные логарифмы и снова построим диаграмму рассеивания. На рис. 7.8 отражена зависимость субъективной оценки запаха теперь уже от величины логарифма концентрации амилацетата. Но снова, как кажется, мы не наблюдаем линейной зависимости. На этот раз коэффициент корреляции между логарифмом концентрации пахучего вещества и субъективной оценкой его запаха оказался даже ниже того, что мы отмечали для первоначальных данных, хотя все еще и довольной высокий – 0,948. В этом случае только 89,8% дисперсии критерия непосредственно оказываются связанными с дисперсией предиктора. Таким образом предсказания закона Вебера – Фехнера применительно к нашим данным выглядят не слишком убедительно.

Рис. 7.8.

Степенной психофизический закон Стивенса устанавливает линейную зависимость между логарифмами стимуляции и величины ощущения. Рисунок 7.9 свидетельствует о том, что такое предсказание оказывается довольно точным. Все точки диаграммы рассеивания идеально выстраиваются вдоль одной линии. Коэффициент корреляции между этими рядами данных составляет 0,999. Это значит, что такая регрессионная модель описывает 99,8% дисперсии зависимой переменной, которая может быть связана с дисперсией независимой переменной.

Рис. 7.9.

Таким образом, наглядное сравнение рис. 7.7-7.9, а также вычисленные коэффициенты корреляции, как кажется, однозначно свидетельствуют в пользу степенного закона Стивенса. Тем не менее попытаемся оценить, насколько велика статистическая разница между этими тремя коэффициентами корреляции.

Прежде всего осуществим логарифмическую трансформацию вычисленных нами коэффициентов корреляции, воспользовавшись нелинейным преобразованием Фишера:

Для упрощения расчетов можно воспользоваться соответствующей функцией Microsoft Excel – ФИШЕР. В качестве аргумента она принимает значение соответствующего коэффициента корреляции.

Результаты таких преобразований дают нам следующие значения z":

• 1. Для связи концентраций амилацетата и оценки запахов z" = 2,41.
• 2. Для связи логарифма концентраций и оценки запахов z" = 1,81.
• 3. Для связи логарифма концентраций и логарифма субъективных оценок z" = 3,89.

Теперь мы можем выдвинуть три статистические гипотезы о попарном равенстве этих коэффициентов корреляции в генеральной совокупности. Для оценки статистической надежности этих гипотез необходимо построить три статистики z:

Здесь п и т соответствуют размерам выборок. В нашем случае и то и другое значение равно семи, так как используются одни и тс же данные.

В результате получаем, что статистика z для случая сравнения коэффициента корреляции между первоначальными значениями концентрации пахучего вещества и субъективной оценкой запаха, с одной стороны, и коэффициента корреляции между результатами логарифмического преобразования стимульных значений и их ощущениями – с другой, оказывается равной 0,85, что соответствует закону Вебера – Фехнера. Оценить надежность этой статистики можно с помощью статистических таблиц (см. приложение 1). Оценка показывает, что такое значение ненадежно отличается от нулевого и, следовательно, необходимо сохранить выдвинутую нулевую гипотезу о равенстве этих коэффициентов корреляции.

Сравнение коэффициента корреляции, предполагающего логарифмическую трансформацию обеих переменных – закон Стивенса, с коэффициентами корреляции, предполагающими логарифмическую трансформацию только независимой переменной – закон Вебера – Фехнера и вообще не предполагающими такой трансформации, дает значения z-статистики соответственно 2,94 и 2,10. Оба этих значения свидетельствуют о надежном отличии статистики z от теоретически ожидаемой нулевой величины. Следовательно,

необходимо отвергнуть нулевую гипотезу о равенстве коэффициентов корреляции.

Что такое логарифм?

Внимание!
К этой теме имеются дополнительные
материалы в Особом разделе 555.
Для тех, кто сильно "не очень..."
И для тех, кто "очень даже...")

Что такое логарифм? Как решать логарифмы? Эти вопросы многих выпускников вводят в ступор. Традиционно тема логарифмов считается сложной, непонятной и страшной. Особенно - уравнения с логарифмами.

Это абсолютно не так. Абсолютно! Не верите? Хорошо. Сейчас, за какие-то 10 - 20 минут вы:

1. Поймете, что такое логарифм .

2. Научитесь решать целый класс показательных уравнений. Даже если ничего о них не слышали.

3. Научитесь вычислять простые логарифмы.

Причём для этого вам нужно будет знать только таблицу умножения, да как возводится число в степень...

Чувствую, сомневаетесь вы... Ну ладно, засекайте время! Поехали!

Для начала решите в уме вот такое уравнение:

Если Вам нравится этот сайт...

Кстати, у меня есть ещё парочка интересных сайтов для Вас.)

Можно потренироваться в решении примеров и узнать свой уровень. Тестирование с мгновенной проверкой. Учимся - с интересом!)

можно познакомиться с функциями и производными.

В центре внимания этой статьи – логарифм . Здесь мы дадим определение логарифма, покажем принятое обозначение, приведем примеры логарифмов, и скажем про натуральные и десятичные логарифмы. После этого рассмотрим основное логарифмическое тождество.

Навигация по странице.

Определение логарифма

Понятие логарифма возникает при решении задачи в известном смысле обратной , когда нужно найти показатель степени по известному значению степени и известному основанию.

Но хватит предисловий, пришло время ответить на вопрос «что такое логарифм»? Дадим соответствующее определение.

Определение.

Логарифм числа b по основанию a , где a>0 , a≠1 и b>0 – это показатель степени, в который нужно возвести число a , чтобы в результате получить b .

На этом этапе заметим, что произнесенное слово «логарифм» должно сразу вызывать два вытекающих вопроса: «какого числа» и «по какому основанию». Иными словами, просто логарифма как бы нет, а есть только логарифм числа по некоторому основанию.

Сразу введем обозначение логарифма : логарифм числа b по основанию a принято обозначать как log a b . Логарифм числа b по основанию e и логарифм по основанию 10 имеют свои специальные обозначения lnb и lgb соответственно, то есть, пишут не log e b , а lnb , и не log 10 b , а lgb .

Теперь можно привести : .
А записи не имеют смысла, так как в первой из них под знаком логарифма находится отрицательное число, во второй – отрицательное число в основании, а в третьей – и отрицательное число под знаком логарифма и единица в основании.

Теперь скажем о правилах чтения логарифмов . Запись log a b читается как «логарифм b по основанию a ». Например, log 2 3 - это логарифм трех по основанию 2 , а - это логарифм двух целых двух третьих по основанию квадратный корень из пяти. Логарифм по основанию e называют натуральным логарифмом , а запись lnb читается как «натуральный логарифм b ». К примеру, ln7 – это натуральный логарифм семи, а мы прочитаем как натуральный логарифм пи. Логарифм по основанию 10 также имеет специальное название – десятичный логарифм , а запись lgb читается как «десятичный логарифм b ». Например, lg1 - это десятичный логарифм единицы, а lg2,75 - десятичный логарифм двух целых семидесяти пяти сотых.

Стоит отдельно остановиться на условиях a>0 , a≠1 и b>0 , при которых дается определение логарифма. Поясним, откуда берутся эти ограничения. Сделать это нам поможет равенство вида , называемое , которое напрямую следует из данного выше определения логарифма.

Начнем с a≠1 . Так как единица в любой степени равна единице, то равенство может быть справедливо лишь при b=1 , но при этом log 1 1 может быть любым действительным числом. Чтобы избежать этой многозначности и принимается a≠1 .

Обоснуем целесообразность условия a>0 . При a=0 по определению логарифма мы бы имели равенство , которое возможно лишь при b=0 . Но тогда log 0 0 может быть любым отличным от нуля действительным числом, так как нуль в любой отличной от нуля степени есть нуль. Избежать этой многозначности позволяет условие a≠0 . А при a<0 нам бы пришлось отказаться от рассмотрения рациональных и иррациональных значений логарифма, так как степень с рациональным и иррациональным показателем определена лишь для неотрицательных оснований. Поэтому и принимается условие a>0 .

Наконец, условие b>0 следует из неравенства a>0 , так как , а значение степени с положительным основанием a всегда положительно.

В заключение этого пункта скажем, что озвученное определение логарифма позволяет сразу указать значение логарифма, когда число под знаком логарифма есть некоторая степень основания. Действительно, определение логарифма позволяет утверждать, что если b=a p , то логарифм числа b по основанию a равен p . То есть, справедливо равенство log a a p =p . Например, мы знаем, что 2 3 =8 , тогда log 2 8=3 . Подробнее об этом мы поговорим в статье

логарифмическая зависимость - logaritminė priklausomybė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. logarithmic dependence vok. logarithmische Abhängigkeit, f rus. логарифмическая зависимость, f pranc. dépendance logarithmique, f … Fizikos terminų žodynas

Функция, обратная к показательной функции (См. Показательная функция). Л. ф. обозначается y = lnx; (1) её значение y, соответствующее значению аргумента х, называется натуральным Логарифмом числа х. В силу определения… …

Специальным образом разграфленная бумага; обычно изготовляется типографским способом. Она строится следующим образом (рис. 1): на каждой из осей прямоугольной системы координат откладываются десятичные Логарифмы чисел u (на оси абсцисс) и … Большая советская энциклопедия

Функция, обратная к показательной функции. Л. ф. обозначается ее значение у, соответствующее значению аргумента х, наз. натуральным логарифмом числа х. В силу определения соотношение (1) равносильно Так как при любом действительном у, то Л. ф.… … Математическая энциклопедия

График двоичного логарифма Логарифм числа … Википедия

закон Вебера-Фехнера - логарифмическая зависимость силы ощущения Е от физической интенсивности раздражителя Р: Е = к log P + с, где k и с некие постоянные, определяемые данной сенсорной системой. Зависимость была выведена немецким психологом и физиологом Г. Т. Фехнером …

интенсивность ощущения - степень субъективной выраженности ощущения, связанного с некоим раздражителем. Связь интенсивности ощущения с физической интенсивностью раздражителя имеет достаточно сложный вид. Предложены различные модели, описывающие эту связь: так, в… … Большая психологическая энциклопедия

Вебера-Фехнера закон - логарифмическая зависимость силы ощущения (Е) от физической интенсивности раздражителя (Р): Е=k log P+ + c, где k и с нек рые постоянные, определяемые данной сенсорной системой. Эта зависимость была выведена немецким психологом и физиологом Г. Т … Большая психологическая энциклопедия

I. Задача П.; II. законы Вебера и Фехнера; III. Психофизические методы; IV. Результаты опытов; V. Смысл психофизических законов; VI. Литература. I. Задача П. Сравнивая различные ощущения, мы замечаем, что они имеют: 1) разные качества, 2)… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Течение жидкости или газа, характеризующееся беспорядочным, нерегулярным перемещением его объёмов и их интенсивным перемешиванием (см. Турбулентность), но в целом имеющее плавный, регулярный характер. Образование Т. т. связано с неустойчивостью… … Энциклопедия техники

основной психофизический закон - ОСНОВНОЙ ПСИХОФИЗИЧЕСКИЙ ЗАКОН функция зависимости величины ощущения от величины раздражителя. Единой формулы О. п. з. нет, но есть его варианты: логарифмический (Фехнера), степенной (Стивенса), обобщенные (Бэрда, Экмана, Забродина и др.) … Энциклопедия эпистемологии и философии науки

\(a^{b}=c\) \(\Leftrightarrow\) \(\log_{a}{c}=b\)

Объясним проще. Например, \(\log_{2}{8}\) равен степени, в которую надо возвести \(2\), чтоб получить \(8\). Отсюда понятно, что \(\log_{2}{8}=3\).

Аргумент и основание логарифма

Любой логарифм имеет следующую «анатомию»:

Аргумент логарифма обычно пишется на его уровне, а основание - подстрочным шрифтом ближе к знаку логарифма. А читается эта запись так: «логарифм двадцати пяти по основанию пять».

Как вычислить логарифм?

Чтобы вычислить логарифм - нужно ответить на вопрос: в какую степень следует возвести основание, чтобы получить аргумент?

Например , вычислите логарифм: а) \(\log_{4}{16}\) б) \(\log_{3}\)\(\frac{1}{3}\) в) \(\log_{\sqrt{5}}{1}\) г) \(\log_{\sqrt{7}}{\sqrt{7}}\) д) \(\log_{3}{\sqrt{3}}\)

а) В какую степень надо возвести \(4\), чтобы получить \(16\)? Очевидно во вторую. Поэтому:

\(\log_{4}{16}=2\)

\(\log_{3}\)\(\frac{1}{3}\) \(=-1\)

в) В какую степень надо возвести \(\sqrt{5}\), чтобы получить \(1\)? А какая степень делает любое число единицей? Ноль, конечно!

\(\log_{\sqrt{5}}{1}=0\)

г) В какую степень надо возвести \(\sqrt{7}\), чтобы получить \(\sqrt{7}\)? В первую – любое число в первой степени равно самому себе.

\(\log_{\sqrt{7}}{\sqrt{7}}=1\)

д) В какую степень надо возвести \(3\), чтобы получить \(\sqrt{3}\)? Из мы знаем, что – это дробная степень, и значит квадратный корень - это степень \(\frac{1}{2}\) .

\(\log_{3}{\sqrt{3}}=\)\(\frac{1}{2}\)

Пример : Вычислить логарифм \(\log_{4\sqrt{2}}{8}\)

Решение :

Ответ : \(\log_{4\sqrt{2}}{8}=1,2\)

Зачем придумали логарифм?

Чтобы это понять, давайте решим уравнение: \(3^{x}=9\). Просто подберите \(x\), чтобы равенство сработало. Конечно, \(x=2\).

А теперь решите уравнение: \(3^{x}=8\).Чему равен икс? Вот в том-то и дело.

Самые догадливые скажут: «икс чуть меньше двух». А как точно записать это число? Для ответа на этот вопрос и придумали логарифм. Благодаря ему, ответ здесь можно записать как \(x=\log_{3}{8}\).

Хочу подчеркнуть, что \(\log_{3}{8}\), как и любой логарифм - это просто число . Да, выглядит непривычно, но зато коротко. Потому что, если бы мы захотели записать его в виде десятичной дроби, то оно выглядело бы вот так: \(1,892789260714.....\)

Пример : Решите уравнение \(4^{5x-4}=10\)

Решение :

Ответ : \(\frac{\log_{4}{10}+4}{5}\)

Десятичный и натуральный логарифмы

Как указано в определении логарифма, его основанием может быть любое положительное число, кроме единицы \((a>0, a\neq1)\). И среди всех возможных оснований есть два встречающихся настолько часто, что для логарифмов с ними придумали особую короткую запись:

Натуральный логарифм: логарифм, у которого основание - число Эйлера \(e\) (равное примерно \(2,7182818…\)), и записывается такой логарифм как \(\ln{a}\).

То есть, \(\ln{a}\) это то же самое, что и \(\log_{e}{a}\)

Десятичный логарифм: логарифм, у которого основание равно 10, записывается \(\lg{a}\).

То есть, \(\lg{a}\) это то же самое, что и \(\log_{10}{a}\) , где \(a\) - некоторое число.

Основное логарифмическое тождество

У логарифмов есть множество свойств. Одно из них носит название «Основное логарифмическое тождество» и выглядит вот так:

Это свойство вытекает напрямую из определения. Посмотрим как именно эта формула появилась.

Вспомним краткую запись определения логарифма:

если \(a^{b}=c\), то \(\log_{a}{c}=b\)

То есть, \(b\) – это тоже самое, что \(\log_{a}{c}\). Тогда мы можем в формуле \(a^{b}=c\) написать \(\log_{a}{c}\) вместо \(b\). Получилось \(a^{\log_{a}{c}}=c\) – основное логарифмическое тождество.

Остальные свойства логарифмов вы можете найти . С их помощью можно упрощать и вычислять значения выражений с логарифмами, которые «в лоб» посчитать сложно.

Пример : Найдите значение выражения \(36^{\log_{6}{5}}\)

Решение :

Ответ : \(25\)

Как число записать в виде логарифма?

Как уже было сказано выше – любой логарифм это просто число. Верно и обратное: любое число может быть записано как логарифм. Например, мы знаем, что \(\log_{2}{4}\) равен двум. Тогда можно вместо двойки писать \(\log_{2}{4}\).

Но \(\log_{3}{9}\) тоже равен \(2\), значит, также можно записать \(2=\log_{3}{9}\) . Аналогично и с \(\log_{5}{25}\), и с \(\log_{9}{81}\), и т.д. То есть, получается

\(2=\log_{2}{4}=\log_{3}{9}=\log_{4}{16}=\log_{5}{25}=\log_{6}{36}=\log_{7}{49}...\)

Таким образом, если нам нужно, мы можем где угодно (хоть в уравнении, хоть в выражении, хоть в неравенстве) записывать двойку как логарифм с любым основанием – просто в качестве аргумента пишем основание в квадрате.

Точно также и с тройкой – ее можно записать как \(\log_{2}{8}\), или как \(\log_{3}{27}\), или как \(\log_{4}{64}\)… Здесь мы как аргумент пишем основание в кубе:

\(3=\log_{2}{8}=\log_{3}{27}=\log_{4}{64}=\log_{5}{125}=\log_{6}{216}=\log_{7}{343}...\)

И с четверкой:

\(4=\log_{2}{16}=\log_{3}{81}=\log_{4}{256}=\log_{5}{625}=\log_{6}{1296}=\log_{7}{2401}...\)

И с минус единицей:

\(-1=\) \(\log_{2}\)\(\frac{1}{2}\) \(=\) \(\log_{3}\)\(\frac{1}{3}\) \(=\) \(\log_{4}\)\(\frac{1}{4}\) \(=\) \(\log_{5}\)\(\frac{1}{5}\) \(=\) \(\log_{6}\)\(\frac{1}{6}\) \(=\) \(\log_{7}\)\(\frac{1}{7}\) \(...\)

И с одной третьей:

\(\frac{1}{3}\) \(=\log_{2}{\sqrt{2}}=\log_{3}{\sqrt{3}}=\log_{4}{\sqrt{4}}=\log_{5}{\sqrt{5}}=\log_{6}{\sqrt{6}}=\log_{7}{\sqrt{7}}...\)

Любое число \(a\) может быть представлено как логарифм с основанием \(b\): \(a=\log_{b}{b^{a}}\)

Пример : Найдите значение выражения \(\frac{\log_{2}{14}}{1+\log_{2}{7}}\)

Решение :

Ответ : \(1\)