Логарифмическая функция, её свойства и график
Определение функции y = logₐ x, вертикальная асимптота x = 0, монотонность, взаимная обратность с показательной функцией.
Логарифмической функцией называют функцию вида y = logₐ x, где a — фиксированное положительное число, отличное от единицы (a > 0, a ≠ 1). По определению логарифма равенство y = logₐ x равносильно равенству x = aʸ. Таким образом, логарифмическая функция является функцией, обратной к показательной функции y = aˣ. График логарифмической функции получается из графика показательной функции y = aˣ зеркальным отражением относительно биссектрисы y = x.
Обратная к показательной
Зеркальное отражение
Обмен областями D и E
Так как для показательной функции D = ℝ и E = (0; +∞), для логарифмической функции всё зеркально переворачивается: D = (0; +∞), E = ℝ.
Фиксация основания a
Определение базового типа
Построение через y = aˣ
Область определения логарифмической функции — множество всех положительных действительных чисел: D(y) = (0; +∞). График целиком расположен в правой полуплоскости x > 0. Область значений логарифмической функции — вся числовая прямая: E(y) = (-∞; +∞) (логарифм может принимать сколь угодно большие положительные и сколь угодно малые отрицательные значения). Нуль функции: logₐ x = 0 при x = 1. График ВСЕГДА пересекает ось Ox в опорной точке (1; 0).
Строго положительный x
Нуль функции
Логарифмическая функция не пересекает Oy
Так как x > 0, график никогда не пересекает ось ординат. Прямая x = 0 служит вертикальной асимптотой!
Нанесение нуля (1; 0)
Нанесение опорной точки (a; 1)
Ограничение полуплоскости
Характер монотонности логарифмической функции повторяет характер показательной: 1) При a > 1 функция y = logₐ x строго возрастает на (0; +∞): x₁ < x₂ <=> logₐ x₁ < logₐ x₂. При этом при x ∈ (0; 1) логарифм отрицателен, а при x ∈ (1; +∞) — положителен. 2) При 0 < a < 1 функция y = logₐ x строго убывает на (0; +∞): x₁ < x₂ <=> logₐ x₁ > logₐ x₂. При x ∈ (0; 1) логарифм положителен, а при x ∈ (1; +∞) — отрицателен.
Восходящий логарифм
Нисходящий логарифм
Медленный рост логарифма
При a > 1 логарифмическая функция растет к +∞ медленнее любой степенной функции x^{0.001}. Это самая медленнорастущая неограниченная функция в математике.
Определение знака a - 1
Фиксация направления кривой
Анализ знаков значений
Ось ординат (прямая x = 0) является вертикальной асимптотой графика функции y = logₐ x. При приближении аргумента к нулю справа (x → 0⁺): если a > 1, то logₐ x стремится к минус бесконечности: lim_{x→0⁺} logₐ x = -∞; если 0 < a < 1, то logₐ x стремится к плюс бесконечности: lim_{x→0⁺} logₐ x = +∞. В преобразованиях вида y = logₐ(x - x₀) вертикальная асимптота сдвигается на прямую x = x₀.
Вертикальная асимптота
Сдвиг асимптоты
Асимптота вертикальная, а не горизонтальная
У показательной функции асимптота горизонтальная (y = 0), а у логарифмической — вертикальная (x = 0).
Нахождение нуля подлогарифмического выражения
Нанесение пунктирной линии x = x₀
Построение примыкающей ветви
Производная натурального логарифма равна обратной величине аргумента: (ln x)' = 1 / x (при x > 0). Для произвольного основания a производная находится через переход к натуральному логарифму: (logₐ x)' = (ln x / ln a)' = 1 / (x · ln a). Для сложной функции y = ln f(x) по правилу дифференцирования сложной функции: (ln f(x))' = f'(x) / f(x). Это отношение называют логарифмической производной.
Производная натурального логарифма
Произвольное основание
Логарифмическое дифференцирование
Метод предварительного логарифмирования обеих частей уравнения позволяет легко находить производные громоздких дробей и степенно-показательных функций y = u(x)^{v(x)}.
Идентификация основания
Применение формулы таблицы
Умножение на внутреннюю производную
- 1. 1. Определение логарифмической функции и взаимная обратность~5 мин
- 2. 2. Область определения D(f), область значений E(f) и нуль функции~5 мин
- 3. 3. Монотонность логарифмической функции при a > 1 и 0 < a < 1~5 мин
- 4. 4. Вертикальная асимптота x = 0~5 мин
- 5. 5. Производная логарифмической функции~5 мин
