Logarithms & Exponentials
対数は「指数を取り出す」道具です。 という指数の関係を、 と書き換えるだけで、掛け算は足し算に、累乗は掛け算に姿を変えます。この単元では対数の定義から三つの対数法則、自然対数 と定数 、そして 型方程式の解き方と実験データの線形化までを扱います。Pure 2/3 の指数・対数・微積分すべての土台になる、A-Level で最も使い回しの効く単元の一つです。
A logarithm is a tool for pulling out an exponent. The exponential relationship can be rewritten as , and once you do, multiplication turns into addition and powers turn into multiplication. This topic covers the definition of a logarithm, the three laws of logs, the natural logarithm and the constant , how to solve equations of the form by taking logs, and how to linearise experimental data. It underpins almost every exponential, logarithmic and calculus question in Pure 2/3, making it one of the most reusable topics in A-Level.
The definition of a logarithm
対数は指数の逆の言い換えです。底 ()に対して、 は「 を何乗すれば になるか」を表します。式で書くと次の同値が定義のすべてです。真数 は必ず正でなければならない点に注意してください。
A logarithm is just an exponential statement rewritten the other way round. For a base (with ), answers the question 'to what power must I raise to get ?'. The whole definition is captured by the equivalence below. Note that the argument must always be positive.
The laws of logarithms
指数法則 などを言い換えると、次の三つの対数法則が得られます。これらは同じ底どうしでのみ使えます。積は和に、商は差に、累乗は係数に変わるのがポイントです。さらに 、 も頻出です。
Re-expressing the index laws such as gives the three laws of logs below. They only apply when the bases match. The key idea: a product becomes a sum, a quotient becomes a difference, and a power becomes a coefficient. You should also know and .
Natural logs and the constant e
底が の対数を自然対数とよび、 を と書きます。 は微分しても形の変わらない関数 の底であり、成長・減衰のモデルに自然に現れます。 と は互いに逆関数なので、 および が成り立ちます。これが指数方程式を解くときの主役になります。
A logarithm to base is called a natural logarithm, and is written . The number is the base of the function , which is unchanged by differentiation, and it appears naturally in growth and decay models. Because and are inverse functions, and . These two identities do the heavy lifting when solving exponential equations.
Solving a^x = b by taking logs
未知数が指数にある方程式 は、両辺の対数をとると指数を前に下ろせます。どの底の対数を使っても構いませんが、電卓には (または常用対数 )が載っているので を使うのが実戦的です。 から が得られます。
When the unknown sits in the exponent, as in , taking logs of both sides brings the exponent down to the front. Any base works, but since calculators carry (and the common log ), using is the practical choice. From you obtain .
Linearising with logs
実験データが や の形だと予想されるとき、両辺の対数をとると直線になり、傾きと切片から定数を求められます。 なら なので、 を に対してプロットすると傾き ・切片 の直線。 なら なので、 を に対してプロットすると傾き ・切片 の直線になります。
When experimental data is believed to follow or , taking logs turns the relationship into a straight line, and the constants come from the gradient and intercept. For , , so plotting against gives a line of gradient and intercept . For , , so plotting against gives a line of gradient and intercept .
Worked examples
Practice
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