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Basic Math Exp & Log- 数学基础 指数与对数

一些国内普通高中的数学笔记,指数与对数系列

Exponential Arithmetic 指数运算

 Rule name Rule Product Ruleam×an=am+nan×bn=(a×b)nQuotient Rulean/am=anman/bn=(a/b)nNegative Exponentan=1/anPower Rule(an)m=an×mTower Ruleanm=a(nm)Fraction Rulea1/n=ananm=an/mZero Rulea0=10a=0 for a>0One Rulea1=a1a=1 \def\arraystretch{1.5} \begin{array} { c | c }\text{ Rule name} & \text{ Rule } \\ \hline \text{Product Rule} & a^m \times a^n = a^{ m + n } \\ & a ^n \times b^n = (a \times b)^ n \\ \hline \text{Quotient Rule} & a^n / a^m = a^ { n - m } \\ & a^n / b^n = (a/b) ^ n \\ \hline \text{Negative Exponent} & a^ {-n} = 1/a^n \\ \hline \text{Power Rule} & (a^n)^m = a^ { n \times m } \\ \hline \text{Tower Rule}& a ^ { n^ m } = a ^ { \left( n^ m \right) } \\ \hline \text{Fraction Rule} & a ^ {1/n} = \sqrt[n]{a } \\ & \sqrt[m]{ a^n} = a^ { n/m} \\ \hline \text{Zero Rule} & a^0 = 1 \\ & 0^ a = 0 \text{ for } a > 0 \\ \hline \text{One Rule} & a^1 = a \\ & 1^a = 1 \\ \end{array}

Logarithmic Arithmetic 对数运算

aloga(N)=Nlogn(1)=0logb(s)+logb(t)=logb(st)logb(n)logb(d)=logb(nd)p×logb(m)=logb(mp)loga(b)=logc(b)logc(a)    loga(b)=1logb(a) \begin{aligned} a^{\log_a (N)} &= N \\ \log_n (1) &= 0 \\[0.3em] \log_b(s) + \log_b(t) &= \log_b(st) \\[0.3em] \log_b(n)-\log_b(d)&=\log_b\left(\frac{n}{d}\right) \\[0.6em] p\times \log_b(m) &= \log_b(m^p) \\[0.6em] \log_a(b) = \frac{\log_c (b)}{\log_c (a)} \implies &\log_a(b) = \frac{1}{\log_b(a)} \end{aligned}

  • 例题

(a)\text{(a)}

1log4(x)+1log5(x)=1log5(4)log5(x)+1log5(x)=1log5(4)+1log5(x)=1log5(4)+1=log5(x)log5(x)log5(4)=1log5(x4)=1x4=5x=20 \begin{aligned} \frac{1}{\log_4(x)} + \frac{1}{\log_5(x)} &= 1 \\[0.8em] \frac{\log_5 (4)}{\log_5(x)} + \frac{1}{\log_5(x)} &= 1 \\[0.8em] \frac{\log_5 (4) + 1}{\log_5(x)} &= 1 \\[0.8em] \log_5 (4) + 1 &= \log_5(x) \\[0.3em] \log_5(x) - \log_5 (4) &= 1 \\[0.3em] \log_5 \left( \frac{x}{4} \right) &= 1 \\[0.6em] \frac{x}{4} &= 5 \\[0.6em] x &= 20 \end{aligned}

(b)\text{(b)}

log2(25)log3(16)log4(9)log4(3)log2(5)log3(4)=log2(25)log2(5)log3(16)log3(4)log4(9)log4(3)=log5(25)log4(16)log3(9)=23=8 \begin{aligned} \frac{\log_2(25)\log_3(16)\log_4(9)}{\log_4(3)\log_2(5)\log_3(4)} &= \frac{\log_2 (25) }{\log_2 (5)} \cdot \frac{\log_3 (16)}{\log_3 (4)} \cdot \frac{\log_4 (9)}{\log_4 (3)} \\[0.8em] &= \log_5 (25) \cdot \log_4(16) \cdot \log_3(9) \\[0.3em] &= 2^3 = 8 \end{aligned}

(c)\text{(c)}

log4(x)+log4(x+6)=2x2+6x=42(x+8)(x2)=0x=8,  2 \begin{aligned} \log_4(x) + \log_4(x+6) = 2 \\ x^2 + 6x = 4^{2} \\ (x + 8)(x - 2) = 0 \\ x = -8, \; 2 \end{aligned}

其中 x=8R+x = -8 \notin \mathbb{R}^+,不在 log\log 定义域中,所以 x=2 onlyx = 2 \text{ only}

(d)\text{(d)}

(log4(x))2+log4(x3)4=0(log4(x))2+3log4(x)4=0y2+3y4=0Define y=log4(x)(y+4)(y1)=0log4(x)=4,  1x=1256,  4 \begin{aligned} \big(\log_4(x)\big)^2 + \log_4\big(x^3\big) - 4 &= 0 \\[0.3em] \big(\log_4(x)\big)^2 + 3\log_4\big(x\big) - 4 &= 0 \\[0.3em] y^{2} + 3y - 4 &= 0 \quad \color{blue} \text{Define } y = \log_4(x) \\[0.3em] (y + 4)(y - 1) = 0 \\[0.3em] \log_4(x) = -4, \; 1 \\[0.3em] x = \frac{1}{256}, \; 4 \end{aligned}

(e)\text{(e)}

log2(x)+log4(9)=log2(12)log2(x)log2(12)=log2(9)log2(4)log2(x12)=12log2(9)log2(x12)=log2(912)x12=13x=4 \begin{aligned} \log_2(x) + \log_4(9) &= \log_2(12) \\[0.6em] \log_2(x) - \log_2(12) &= - \frac{\log_2 (9)}{\log_2 (4)} \\[0.6em] \log_2\left( \frac{x}{12} \right) &= - \frac{1}{2} \log_2 (9) \\[0.6em] \log_2\left( \frac{x}{12} \right) &= \log_2 \left( 9^{- \frac{1}{2}} \right) \\[0.6em] \frac{x}{12} &= \frac{1}{3} \\[0.6em] x &= 4 \end{aligned}

The Origin of ee 的起源

参考视频:3Blue1Brown - 【官方双语】微积分的本质 - 05 - 指数函数求导

当我们想对指数函数求导,比如 f(t)=2tf(t) = 2^{t},我们通过导数的定义,将其带入

f(t)=limh0f(t+h)f(t)h=limh02t+h2th f'(t) = \lim\limits_{h \to 0} \frac{f(t+h) - f(t)}{h} = \lim\limits_{h \to 0} \frac{2^{t+h} - 2^{t}}{h}

你会发现 2t+h2^{t+h} 可以使得其从 lim\lim 中,把 tt 拆出来,所以剩下的另外一部分就变成了常数

limh02t+h2th=limh02t2h2th=2tlimh02h1h \lim\limits_{h \to 0} \frac{2^{t+h} - 2^{t}}{h} = \lim\limits_{h \to 0} \frac{2^{t}2^{h} - 2^{t}}{h} = 2^{t} \lim\limits_{h \to 0} \frac{2^{h} - 1}{h}

而在此时你会发现 lim\lim 没法继续运算,尝试用数值逼近法发现它很像是一个像是 0.6931470.693147\cdots 的常数,我们先将其按下不表。

而当你在继续尝试求导 8x,16x8^{x}, 16^{x} 都会遇到这样一个奇奇怪怪的常数,所以很自然的,我们会想要寻找到一个没有常数指数函数的导数,也就是常数为 11 的时候,底数 xx 为多少?

limh0xt+hxth=xt1 \lim\limits_{h \to 0} \frac{x^{t+h} - x^{t}}{h} = x^{t} \cdot 1

经过与上文相同的变换方法

limh0xt+hxth=xtlimh0xh1h    limh0xh1h=1 \lim\limits_{h \to 0} \frac{x^{t+h} - x^{t}}{h} = x^{t} \lim\limits_{h \to 0} \frac{x^{h} - 1}{h} \implies \lim\limits_{h \to 0} \frac{x^{h} - 1}{h} = 1

那么是否存在这么一个数使得等式 limh0xh1h=1\lim\limits_{h \to 0} \frac{x^{h} - 1}{h} = 1 成立呢?当然有,那就是 e=2.71828e = 2.71828\cdots

或者更准确的说,使得等式 limh0eh1h=1\lim\limits_{h \to 0} \frac{e^{h} - 1}{h} = 1 成立,就是 ee 的定义,而 ee 是一个无理数,就像 π\pi 为什么就是圆的周长比上它的直径一样,因为这就是 π\pi 的定义,都是我们在变换的过程中会遇到的常数。

这也就是为什么 ete^{t} 的导数就是它自身,正是因为 limh0eh1h=1\lim\limits_{h \to 0} \frac{e^{h} - 1}{h} = 1

所以我们将原来的求导问题变成这样(其中 ln(a)\ln(a) 的定义就是「ee 的几次方等于 aa」,所以 eln(a)=ae^{\ln(a)} = a

at=eln(a)t (at)=(eln(a)t) atlna=lnaeln(a)t a^{t} = e^{\ln(a)t} \\ ~ \\ \left( a^{t} \right)' = \left( e^{\ln(a)t} \right)' \\ ~ \\ a^{t} \ln a = \ln a \cdot e^{\ln(a)t}

也就是我们通过把 ata^{t} 变成 eln(a)te^{\ln(a)t} 进而通过 Chain Rule 和 Power Rule 就可以得到 ata^{t} 的结果。

其实关于 ee 的定义有非常多种且互相和证明等价
包括常见的 e:=limn(1+1n)ne := \lim\limits_{n \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^{n}
所有的定义以及等价证明可以参考 维基百科 - ee (数学常数)

Application of dexdx=ex\frac{\mathrm{d}e^{x}}{\mathrm{d}x} = e^{x} 性质的运用

放射性物质 N(t)N(t) 的质量随着时间 tt 地衰减遵守如下方程

dNdt=kN(t),  k>0 \frac{\mathrm{d}N}{\mathrm{d}t} = -kN(t), \; k > 0

其半衰期(即衰减到一半物质所用的时间)为?

  • 一阶 ODE 方法 dNdtN(t)=k dNdtN(t)  dt=kdtapply  uu  dx=lnu+C ln(N(t))=kt+CMass>0 N(t)=cekt \begin{aligned} \frac{\frac{\mathrm{d}N}{\mathrm{d}t}}{N(t)} &= -k\\ ~ \\ \int \frac{\frac{\mathrm{d}N}{\mathrm{d}t}}{N(t)} \; \mathrm{d}t &= \int -k \cdot \mathrm{d}t \quad \color{blue} \text{apply} \; \int \frac{u'}{u} \; \mathrm{d}x = \ln |u| + C \\ ~ \\ \ln (N(t)) &= -kt + C \quad \color{blue} \text{Mass} > 0 \\ ~ \\ N(t) &= ce^{-kt} \end{aligned}

写法上来说这种也是一样的

dNN(t)=kdtdN=dNdtdt dNdtN(t)  dt=kdtapply  uu  dx=lnu+C ln(N(t))=kt+CMass>0 N(t)=cekt \begin{aligned} \frac{\mathrm{d}N}{N(t)} &= -k \cdot \mathrm{d}t \quad \color{blue} \mathrm{d}N = \frac{\mathrm{d}N}{\mathrm{d}t}\cdot \mathrm{d}t\\ ~ \\ \int \frac{\frac{\mathrm{d}N}{\mathrm{d}t}}{N(t)} \; \mathrm{d}t &= \int -k \cdot \mathrm{d}t \quad \color{blue} \text{apply} \; \int \frac{u'}{u} \; \mathrm{d}x = \ln |u| + C \\ ~ \\ \ln (N(t)) &= -kt + C \quad \color{blue} \text{Mass} > 0 \\ ~ \\ N(t) &= ce^{-kt} \end{aligned}

  • 导数逆推方法

通过 Chain Rule 我们知道

ddtekt=ektddt(kt)=kekt \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} e^{-kt} = e^{-kt} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}(-kt) = -k e^{-kt}

如果我们从 N0g\pu{N_{0} g} 开始,

N(t)=N0ekt N(t) = N_0 e^{-kt}

N(t)N(t) 就是在 tt 时刻还剩下多少物质质量,所以如果我们想知道半衰期是多少

12N0=N0ektkt=ln(12)t=1kln(12) \begin{aligned} \frac{1}{2} N_0 &= N_0 e^{-kt} \\[0.6em] -kt &= \ln \left( \frac{1}{2} \right) \\[0.6em] t &= -\frac{1}{k} \ln \left( \frac{1}{2} \right) \end{aligned}

To be continued…