Nelle scuole medie abbiamo visto l’operazione di elevamento a potenza di un numero, infatti data una base \(a\) ed un esponente \(n\) abbiamo detto:
$$a^{n}=\underbrace{a\cdot a\cdot…...\cdot a}_{n-volte}=b$$
con \(b\) il risultato di tale operazione.
E ci siamo chiesti ma se noi abbiamo il valore del risultato \(b\) e dell’esponente \(n\), come si fa a calcolare \(a\)? Abbiamo, quindi, introdotto i radicali:
$$a=\sqrt[n]{b}$$
con \(b\) detto radicando e i indice del radicale. Per fare ciò abbiamo introdotto i numeri reali (in realtà abbiamo esteso i numeri razionali con i numeri numeri irrazionali, però mettiamoci sui reali per quanto diremo tra poco) perché numeri come per esempio \( \sqrt{2} \) non stanno nei numeri razionali e quindi nemmeno negli interi e nei naturali.
Ma se noi abbiamo i valori di \(a\) e \(b\), come facciamo a trovare \(n\)?
Qui entra in scena il logaritmo!
Definizione di logaritmo
Dati due numeri reali positivi a e b con \(a\neq1\), si definisce il logaritmo in base \(a\) di \(b\), l’esponente \(n\) a cui elevare \(a\) per ottenere \(b\), cioè:
$$il\>numero\>n\>tale\>che\>a^n=b$$
e si indica con:
$$n=\log_{a}{b}$$
chiamiamo \(a\) base del logaritmo, \(b\) argomento del logaritmo e \(c\) il suo valore.
Osservazione
Le condizioni su \(a\) e \(b\) sono necessarie per avere un unico n nella definizione. Infatti:
- Se siamo nel caso \(a=0\) e \(b=0\), avremmo:
$$ n=\log_{0}{0}\>cioè\>0^n=0$$
che vale per ogni \(n\) nei reali e quindi n non è unico in questo caso. - Se siamo nel caso \(a=0\) e \(b \neq 0\), avremmo:
$$ n=\log_{0}{b}\>cioè\>0^n=b$$
in questo caso invece non esiste nessun \(n\) per cui vale l’uguaglianza! - Se siamo nel caso \(a=1\) e \(b=1\), avremmo:
$$ n=\log_{1}{1}\>cioè\>1^n=1$$
come prima ci sono infiniti \(n\) per cui vale l’uguaglianza. - Se siamo nel caso \(a=1\) e \(b\neq 1\), avremmo:
$$ n=\log_{1}{b}\>cioè\>1^n=b$$
non esiste nessun \(n\) per cui vale. - Se \(a<0\) allora n non potrà mai essere un numero razionale con denominatore pari, quindi la definizione non varrà per tutti gli n reali e non sarà ben posta:
$$ per\>esempio\>(-1)^{\frac{1}{2}}=?$$
- Se \(b<0\) allora deve accadere che \(a<0\), ma per quanto detto prima non può essere.
Tipologie di logaritmi
Ci sono due tipologie di logaritmi che si incontrano spesso nell’ambito della matematica:
- Il logaritmo naturale, che è il logaritmo con base il numero di Nepero \(e\) e si indica con:
$$ln(b)$$
con b argomento del logaritmo.
Da notare che \(e\) è un numero reale e vale all’incirca \(e=2,7\). - Il logaritmo decimale, oppure logaritmo in base 10, che si indica con la forma della definizione:
$$\log_{10}{b}$$
con b argomento del logaritmo.Esempi
- Calcolare il numero \(\log_{17}{17}\).
Dobbiamo quindi trovare \(n\) tale che:
$$n=\log_{17}{17}\>cioè\>17^n=17$$
è evidente che la \(n\) cercata è 1, quindi il risultato è:
$$17^1=17\>quindi\>\log_{17}{17}=1$$
- Calcolare il numero \(\log_{2}{32}\).
L’esponente da dare a 2 per diventare 32 è 5, infatti:
$$2^5=32\>quindi\>\log_{2}{32}=5$$
- Calcolare il numero \(\ln{e^{\frac{3}{8}}}\).
L’esponente da dare a \(e\) per diventare \(e^{\frac{3}{8}}\) è \(\frac{3}{8}\):
$$ e^{\frac{3}{8}}= e^{\frac{3}{8}}\>quindi\>\ln{e^{\frac{3}{8}}}=\frac{3}{8}$$
- Calcolare il numero \(\log_{\frac{3}{2}}{\frac{16}{81}}\).
L’esponente da dare a \(\frac{3}{2}\) per diventare \(\frac{16}{81}\) è -4:
$$(\frac{3}{2})^{-4}=\frac{16}{81}\>quindi\>\\log_{\frac{3}{2}}{\frac{16}{81}}=-4$$
- Calcolare il numero \(\log_{\sqrt{3}}{3^{\frac{3}{4}}}\).
L’esponente da dare a \( \sqrt{3} \) per diventare \(3^{\frac{3}{4}\) è \(\frac{3}{2}\):
$$(\sqrt{3})^{\frac{3}{2}}=3^{ (\frac{1}{2}) (\frac{3}{2})}=3^{\frac{3}{4}} $$
Quindi:
$$\log_{\sqrt{3}}{3^{\frac{3}{4}}}=\frac{3}{2}$$