Ilustracja do zestawu: Logarytm i jego związek z potęgowaniem

Matematyka

Logarytm i jego związek z potęgowaniem

Zestaw porządkuje definicję logarytmu, warunki jego istnienia i najważniejszy związek z potęgowaniem. Znajdziesz tu także podstawowe własności działań na logarytmach, typowe przykłady obliczeń i zadania w stylu maturalnym.

Szkoła średnia12 fiszek18 pytań w 2 etapachnotatka

Podcast

Ładuję…

Quizy w tym zestawie

18 pytań w 2 etapach

Odblokujesz je po dodaniu zestawu.

  1. Etap 1

    5 fiszek · 9 pytań

  2. Etap 2

    7 fiszek · 9 pytań

  3. Powtórka z całości

    15 pytań ze wszystkich etapów, po ukończeniu etapów

1.Logarytm liczby dodatniej

Logarytm liczby dodatniej bb przy podstawie aa to wykładnik potęgi, do której trzeba podnieść aa, aby otrzymać bb. Zapisujemy: log⁡ab=c\log_a b=c wtedy i tylko wtedy, gdy ac=ba^c=b.

2.Warunki istnienia logarytmu

Aby wyrażenie log⁡ab\log_a b miało sens, musi zachodzić: a>0a>0, a≠1a\neq 1 oraz b>0b>0. Podstawa logarytmu jest dodatnia i różna od 11, a liczba logarytmowana musi być dodatnia.

3.Związek logarytmu z potęgowaniem

Równości log⁡ab=c\log_a b=c i ac=ba^c=b są równoważne. Dzięki temu można zamieniać zapis logarytmiczny na wykładniczy i odwrotnie, co jest podstawą większości obliczeń.

4.Logarytm z 11

Dla każdej dopuszczalnej podstawy aa zachodzi log⁡a1=0\log_a 1=0, ponieważ a0=1a^0=1.

5.Logarytm z podstawy

Dla każdej dopuszczalnej podstawy aa zachodzi log⁡aa=1\log_a a=1, ponieważ a1=aa^1=a.

6.Logarytm iloczynu

Jeśli wszystkie logarytmy są określone, to log⁡a(xy)=log⁡ax+log⁡ay\log_a(xy)=\log_a x+\log_a y. Iloczyn zamienia się na sumę logarytmów o tej samej podstawie.

7.Logarytm ilorazu

Jeśli wszystkie logarytmy są określone, to log⁡a(xy)=log⁡ax−log⁡ay\log_a\left(\frac{x}{y}\right)=\log_a x-\log_a y. Iloraz zamienia się na różnicę logarytmów.

8.Logarytm potęgi

Dla dopuszczalnych wartości zachodzi log⁡a(xk)=klog⁡ax\log_a(x^k)=k\log_a x. Wykładnik potęgi można „wyciągnąć” przed logarytm.

9.Podstawa większa od 11

Gdy a>1a>1, to funkcja wykładnicza axa^x jest rosnąca, więc większym liczbom dodatnim odpowiadają większe logarytmy przy tej podstawie.

10.Podstawa z przedziału (0,1)(0,1)

Gdy 0<a<10<a<1, to funkcja wykładnicza axa^x jest malejąca, więc większym liczbom dodatnim odpowiadają mniejsze logarytmy przy tej podstawie.

11.Logarytm dziesiętny

Logarytm dziesiętny ma podstawę 1010: log⁡b=log⁡10b\log b=\log_{10} b. W zapisie szkolnym często opuszcza się podstawę 1010.

12.Logarytm naturalny

Logarytm naturalny ma podstawę ee, czyli liczbę niewymierną około 2,718282{,}71828. Zapisujemy go jako ln⁡x\ln x. W liceum najważniejsze jest rozumienie, że to szczególny przypadek logarytmu.

Notatka

Czym jest logarytm

Logarytm to sposób zapisu pytania o wykładnik potęgi. Gdy mamy wyrażenie log⁡ab\log_a b, pytamy: na jaką potęgę trzeba podnieść liczbę aa, aby otrzymać bb? Formalnie zapisujemy to tak:

log⁡ab=c  ⟺  ac=b\log_a b=c \iff a^c=b

To najważniejsza zależność w całym temacie. Dzięki niej można przechodzić z zapisu logarytmicznego do wykładniczego i odwrotnie. Przykładowo z równości log⁡28=3\log_2 8=3 wynika 23=82^3=8, a z 10−2=0,0110^{-2}=0{,}01 otrzymujemy log⁡100,01=−2\log_{10} 0{,}01=-2.

Logarytm nie jest nowym „oderwanym” działaniem, tylko odwrotnością potęgowania. Dlatego większość zadań o logarytmach rozwiązuje się przez przypomnienie sobie prostych potęg liczby będącej podstawą.

Warunki istnienia logarytmu

Aby logarytm był określony, muszą być spełnione trzy warunki:

  • a>0a>0
  • a≠1a\neq 1
  • b>0b>0

Pierwsze dwa dotyczą podstawy logarytmu, a trzeci liczby logarytmowanej. Nie istnieją więc na przykład wyrażenia log⁡−28\log_{-2} 8, log⁡15\log_1 5 oraz log⁡30\log_3 0.

Dlaczego tak jest? Podstawa musi być dodatnia i różna od 11, bo tylko wtedy potęgowanie daje sensowną funkcję odwrotną. Liczba logarytmowana musi być dodatnia, ponieważ dla dopuszczalnej podstawy potęgi axa^x są zawsze dodatnie. To oznacza, że nie obliczamy logarytmu z zera ani z liczby ujemnej.

Najważniejsze wartości i interpretacje

Warto zapamiętać kilka podstawowych równości wynikających wprost z definicji:

  • log⁡a1=0\log_a 1=0, bo a0=1a^0=1
  • log⁡aa=1\log_a a=1, bo a1=aa^1=a
  • log⁡aak=k\log_a a^k=k, jeśli aa spełnia warunki podstawy

Przykłady:

  • log⁡51=0\log_5 1=0
  • log⁡77=1\log_7 7=1
  • log⁡327=3\log_3 27=3, bo 33=273^3=27
  • log⁡4116=−2\log_4 \frac{1}{16}=-2, bo 4−2=1164^{-2}=\frac{1}{16}

W zadaniach maturalnych często trzeba najpierw rozpoznać, jaka potęga daje daną liczbę. To zwykle prostsze niż wykonywanie długich przekształceń.

Własności działań na logarytmach

Dla dodatnich liczb, przy tej samej dopuszczalnej podstawie, obowiązują trzy kluczowe wzory:

  • log⁡a(xy)=log⁡ax+log⁡ay\log_a(xy)=\log_a x+\log_a y
  • log⁡a(xy)=log⁡ax−log⁡ay\log_a\left(\frac{x}{y}\right)=\log_a x-\log_a y
  • log⁡a(xk)=klog⁡ax\log_a(x^k)=k\log_a x

Te wzory wynikają z praw działań na potęgach, ponieważ logarytm jest związany z potęgowaniem. Trzeba jednak uważać na typowe błędy. Nie wolno zamieniać log⁡a(x+y)\log_a(x+y) na sumę logarytmów. Wzór na sumę dotyczy tylko iloczynu, nie dodawania.

Przykłady:

  • log⁡2(8⋅4)=log⁡28+log⁡24=3+2=5\log_2(8\cdot 4)=\log_2 8+\log_2 4=3+2=5
  • log⁡2(648)=log⁡264−log⁡28=6−3=3\log_2\left(\frac{64}{8}\right)=\log_2 64-\log_2 8=6-3=3
  • log⁡2(34)=4log⁡23\log_2(3^4)=4\log_2 3

Takie przekształcenia pojawiają się bardzo często w zadaniach rachunkowych.

Związek z monotonicznością potęgowania

To, jak zachowuje się logarytm, zależy od podstawy.

Jeżeli a>1a>1, to funkcja wykładnicza axa^x jest rosnąca. Oznacza to, że większym liczbom dodatnim odpowiadają większe logarytmy. Gdy więc x>y>0x>y>0, mamy log⁡ax>log⁡ay\log_a x>\log_a y.

Jeżeli 0<a<10<a<1, to funkcja wykładnicza axa^x jest malejąca. Wtedy porządek się odwraca: z x>y>0x>y>0 wynika log⁡ax<log⁡ay\log_a x<\log_a y.

Ta własność przydaje się przy porównywaniu wartości logarytmów bez dokładnego obliczania ich wartości. To ważne szczególnie wtedy, gdy liczby nie są prostymi potęgami podstawy.

Logarytm dziesiętny i naturalny

W praktyce często spotyka się dwa szczególne logarytmy.

Logarytm dziesiętny ma podstawę 1010 i zapisuje się go jako log⁡x\log x lub dokładniej log⁡10x\log_{10} x. Przykładowo:

  • log⁡100=2\log 100=2
  • log⁡1000=3\log 1000=3

Logarytm naturalny ma podstawę ee i zapisuje się go jako ln⁡x\ln x. Liczba ee jest dodatnia i niewymierna; w przybliżeniu wynosi około 2,718282{,}71828. W liceum najważniejsze jest to, by rozpoznawać, że ln⁡x\ln x to po prostu szczególny logarytm.

W zadaniach szkolnych trzeba umieć odczytać zapis, sprawdzić warunki istnienia i zastosować podstawowe wzory, niezależnie od tego, czy podstawa jest równa 1010, ee, czy innej liczbie dodatniej różnej od 11.

Typowe zadania maturalne i najczęstsze błędy

Najczęstsze typy zadań to:

  • zamiana zapisu logarytmicznego na wykładniczy i odwrotnie,
  • obliczanie prostych logarytmów przez rozpoznanie potęgi,
  • sprawdzanie, czy wyrażenie logarytmiczne ma sens,
  • upraszczanie wyrażeń z użyciem wzorów na iloczyn, iloraz i potęgę,
  • porównywanie logarytmów na podstawie własności zależnych od podstawy.

Najczęstsze błędy:

  • pomijanie warunku b>0b>0 i próby liczenia logarytmu z liczby niedodatniej,
  • dopuszczanie podstawy 11 lub ujemnej,
  • mylenie log⁡a(x+y)\log_a(x+y) z log⁡ax+log⁡ay\log_a x+\log_a y,
  • błędne odczytywanie definicji, na przykład zamiana ról podstawy i argumentu,
  • zapominanie, że przy podstawie z przedziału (0,1)(0,1) nierówności odwracają kierunek porównania.

Najlepsza strategia to zawsze zaczynać od definicji log⁡ab=c  ⟺  ac=b\log_a b=c \iff a^c=b, a dopiero potem korzystać z gotowych wzorów.

Sprawdzian do druku

Arkusz PDF z kluczem, punktacją i oceną

Sprawdzam sprawdzian…

Znasz kogoś z klasy, komu się przyda? Podziel się zestawem

WhatsApp

Podobne zestawy

Zobacz wszystkie fiszki z matematyki