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龙听 发表于 2021-5-20 16:12

对数的发明有何意义?在现在有什么重要应用?

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对数是由数学家约翰·纳皮尔(1550-1617)发明,这个意义无论对于当时还是现在都是非常重大。在中学数学中,我们先是学习了指数,比如2^3=8。然后,我们才学习了指数的逆运算——对数,比如求出2的多少次方才会等于8,我们可以用对数来表示这个数,即log2(8),其结果就是log2(8)=3。我们用更一般的表达式来表示指数函数y=a^x,写成对数形式x=loga(y)(这里需要满足a>0,且a≠1)。因此,指数和对数互为逆运算。
然而,在历史上,对数函数其实先出现,后来才出现指数函数。这是因为对数发明的初衷并不是用于求解指数的幂,而是用于求解多个数的连乘之积。当时,随着科学技术的发展,人们在计算过程中所用到的数字随之越来越大。由于没有计算器的帮助,想要算出几个很大数字的乘积,往往需要耗费大量的时间。对数的出现大大减少了计算乘积所需的工作量,这得益于对数的独特性质:loga(bc)=loga(b)+loga(c),loga(b)=logc(b)/logc(a),loga(b^c)=cloga(b)等等。只要通过查对数表,就能很快计算出一些较为繁琐的运算。例如,我们想要计算567.89和3141.59的乘积。假设:
x=567.89×3141.59
两边同时取以10为底的对数,得到:
log10(x)=log10(567.89×3141.59)=log10(567.89)+log10(3141.59)
log10(x)=log10(10^2×5.6789)+log10(10^3×3.14159)
log10(x)=2+log10(5.6789)+3+log10(3.14159)=5+log10(5.6789)+log10(3.14159)
其中log10(5.6789)和log10(3.14159)可以在对数表中查出,把它们相加之后,再查反对数就能得到最终结果。在没有电子计算器的时代,通过对数计算一些繁琐的运算可以大大减轻计算量。


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在对数中,最常使用以10和自然常数e(2.71828…)为底的对数,分别记作lg和ln。例如,在化学中,表示酸碱度的pH就是用以10为底的常用对数进行定义:pH=-lg(氢离子物质的量浓度)。此外,以自然常数为底的自然对数被更加广泛应用于科学领域,例如,火箭运动方程、生物学过程等等。

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