Przeskocz do treści

Delta mi!

Logarytm – logika i rytm?

Adam Kolany

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: sierpień 2015
  • Publikacja elektroniczna: 31-07-2015
  • Autor: Adam Kolany
    Afiliacja: Pałac Młodzieży w Katowicach

Dodawanie jest łatwe. Każdy się z tym zgodzi. Ot, zapisujemy dodawane liczby jedna pod drugą, dodajemy kolejne cyfry, bacząc na przeniesienia i to wszystko. Gorzej jest z mnożeniem...

obrazek

Wyznaczenie iloczynu liczby n -cyfrowej przez liczbę m -cyfrową, gdzie |m> n, wymaga co najmniej dodania n liczb o około |m+ n cyfrach każda. Zajmuje to dużo miejsca, czasu. Łatwo się pomylić. Zastanówmy się zatem, czy nie dałoby się jakoś tak "zakodować" liczb, aby zamiast mnożyć liczby jako takie, dodawać ich kody, a następnie wynik odkodować, dostając iloczyn. Innymi słowy, pytamy o istnienie funkcji κ R R, która spełnia związek:

κ(x ⋅y) = κ(x) +κ (y), x,y ∈ R. (*)

No tak, ale już na pierwszy rzut oka widać, że jedyną taką funkcją jest funkcja stale równa zeru. Bo przecież |κ(x) +κ (0) = κ(x ⋅0) =κ (0), skąd |κ(x) = 0 dla dowolnego x.

Hmm... To może złagodźmy nieco nasze wymagania? Właściwie po co mamy kodować zero? W końcu wszyscy wiedzą, jak się przez nie mnoży? Więcej - wystarczy takie kodowanie znaleźć tylko dla liczb dodatnich - przecież wiemy, jak znak iloczynu zależy od znaków czynników.

Tak więc szukamy funkcji κ (0, +∞ ) R, która spełnia związek (*) i która nie jest stale równa zeru. Więcej, szukać będziemy takiego κ, które jest ciągłe, czyli które dla bliskich wartości argumentów przyjmuje bliskie wartości i to w dodatku tak, aby dokładnością tego przybliżenia można było "sterować".

Z warunku (*) łatwo dostajemy

pict

Wraz z warunkiem (*1) otrzymujemy, że (*2) zachodzi dla |x > 0 oraz r całkowitych. Dalej, jeśli r∈ Q, to r = kl dla pewnych |k∈ Z,l ∈N, l≠ 0 i wówczas

 k kl l kl k ⋅κ(x) =κ (x ) = κ ((x ) ) = l⋅κ(x ) ,

skąd  k k |κ(x l) = l⋅κ(x) dla |x > 0. Czyli |(*2) zachodzi dla |x > 0 oraz |r wymiernego. Ponieważ każdą liczbę niewymierną można z dowolną dokładnością przybliżać liczbami wymiernymi, postulowana wcześniej ciągłość funkcji κ pozwala wywnioskować, że równość |(*2) zachodzi dla dowolnej liczby rzeczywistej r.

Z założeń, jakie nałożyliśmy na κ , można łatwo wywnioskować, że κ(1) = 0. Zauważmy, że |1 jest jedyną taką liczbą, dla której |κ się zeruje. Przypuśćmy bowiem, że dla pewnego a ≠ 1 zachodzi |κ(a) = 0. Niech dalej x > 0. Ponieważ funkcja wykładnicza o podstawie |a > 0,a ≠ 1 przyjmuje wszystkie dodatnie wartości, więc istnieje takie |w, dla którego aw= x. Stąd jednak κ (x) = κ(aw) = w ⋅κ(a) = 0, co przeczy założeniom o |κ.

Udowodniona właśnie obserwacja implikuje w prosty sposób różnowartościowość funkcji κ . Załóżmy bowiem, że |κ(x) =κ (y), wówczas κ (xy) = κ(x) − κ(y) = 0, skąd właśnie |xy = 1, czyli |x = y. Co więcej, jedyność miejsca zerowego funkcji κ wraz z ciągłością tej ostatniej (a dokładniej z faktem, że ma ona własność Darboux) implikuje monotoniczność tej funkcji.

Niech bowiem 0 < x < y i |0 < z < v. Wówczas dla  y v c1 = x,c2 = z > 1 wartości |κ(c1) i κ (c2) są tego samego znaku (inaczej jakieś |c między |c1 i c2 zerowałoby wartość κ, co nie jest możliwe). To zaś dowodzi, że bądź κ(x) < κ(y),κ (z) < κ(v), bądź κ (v) < κ(z),κ (y) < κ(x), co wobec dowolności x,y, v i z dowodzi monotoniczności κ.

Założyliśmy, że |κ nie jest stale równa zeru, co oznacza, że istnieje |c > 0, dla którego κ(c) ≠0. Ponieważ  1 κ (c) = −κ (c), jedna z liczb |κ(c) i κ( 1c) jest dodatnia, a druga ujemna. Oczywiście, możemy bez straty ogólności założyć, że to właśnie κ(c) > 0. Teraz, skoro |κ(c) > 0, istnieją takie wymierne α ,β , dla których |α ⋅κ (c) < 1 oraz |β⋅κ(c) > 1, skąd  α β κ (c ) < 1 < κ(c ). Ponieważ |κ jest ciągła, spełnia ona własność Darboux, a stąd wynika, że istnieje taka wartość |δ pomiędzy |cα oraz cβ, dla której κ (δ) = 1. Zauważmy przy tym, że jeśli δ > 1, to |κ jest funkcją rosnącą, bo wówczas dla x < y, mamy  y |x > 1, skąd wynika, że  y κ (x) oraz κ(δ) = 1 są tego samego znaku, czyli |κ(y)− κ(x) = κ (yx) > 0, co oznacza, że κ(x) < κ(y).

Teraz właściwie wszystko staje się jasne. Niech bowiem x > 0, wówczas

κ(x) = κ(δ) ⋅κ(x) = κ(δκ x ),

a stąd z różnowartościowości |κ dostajemy x = δκ x .

Innymi słowy, κ(x) jest tą potęgą liczby |δ, której wartością jest x. Taką liczbę nazywamy "logarytmem z |x przy podstawie δ " i oznaczamy symbolem |logδ(x). Ale przecież o tym wszyscy wiedzą - w końcu uczy się tego w szkołach...


PS. Serdecznie dziękuję dr. Tomaszowi Bielaczycowi za cenne uwagi, które przyspieszyły ukończenie tego tekstu.