كتب natural logarithm

التاريخ

ويسمى هذا اللوغاريتم أيضا باللوغاريتم النيبيري تكريماً لعالم الرياضيات الاسكتلندي جون نابير الذي أنشأ أول الجداول اللوغاريتمية (والتي ليست في الواقع جداول اللوغاريتمات الطبيعية).

تم وضع مفهوم اللوغاريتم الطبيعي بواسطة غريغوار دو سان فنسان و ألفونس أنطونيو دي ساراسا قبل عام 1649. تضمن عملهم تربيع القطع الزائد الذي معادلته xy = 1 من خلال تحديد مساحة القطاعات الزائدية. تولد حلولهم دالة "اللوغاريتم الزائدي" المطلوبة التي لها خصائص مرتبطة الآن باللوغاريتم الطبيعي.

وضعت أول إشارة للوغاريتم الطبيعي من قبل نيكولاس مركاتور في عمله Logarithmotechnia المنشور في 1668، على الرغم من أن مدرس الرياضيات جون سبيديل قام بالفعل في عام 1619 بتجميع جدول لما كان في الواقع لوغاريتمات طبيعية. لقد قيل إن لوغاريتمات سبيديل كانت ذات الأساس e ، لكن هذا ليس صحيحًا تمامًا بسبب التعقيدات مع القيم المعبر عنها كأعداد صحيحة.

اتفاق حول الرموز

يشير الرمزان "ln x" و "log_e x" بشكل لا لبس فيه إلى اللوغاريتم الطبيعيّ لِـx. و قد يُفهم من الرمز "log x" دون أي ذكر صريح لأي أساس أنه لوغاريتم طبيعيّ لِـx. يشيع هذا الفهم بين الأوساط العلميّة وفي الرياضيات بالإضافة إلى بعض لغات البرمجة.^{(ملاحظة 1)} يُمكن استخدم الرمز "log x" في بعض السياقات الأخرى للإشارة إلى اللوغاريتم ذو الأساس 10.

تاريخياً، أُدخلت الرموز "l." و "l" إلى الاستخدام منذ ثلاثينيات القرن الثامن عشر 1730s على الأقل، و بقيت حتى أربعينيات القرن التاسع عشر 1840s على الأقل، أما الرمز "log." أو "log"، فمنذ تسعينيات القرن الثامن عشر 1790s على الأقل. أخيراً، في القرن العشرين سُجِلَت الرموز "Log" و "logh".

أصل مصطلح اللوغاريتم الطبيعي

تنتج الدالة و ذلك من أجل n ∈ ℤ تسلسل ثنائي لانهائيّ من النقاط يُمثّل قطعاً زائداً. عندما تُوصَل نقطتان متجاورتان إلى النقطة (0,0) بواسطة أشعة القطع الزائد، حينها يتشكَّل قطاع من هذا القطع الزائد، يكون لهذا القطاع منطقة وحدة "unit area". و بالتالي فإن المنطقة الكليّة الموجودة داخل القطع الزائد وخطوط مُقارباته منطقةٌ لانهائيّة، بما يتفق مع تباعد المتسلسلة المتناسقة. يتفق قياس المنطقة مع قياس القوس في كلا الدائرة والقطع الزائد الأيمن: ففي دائرة نصف قطرها √2 يكون لقوس القطاع الدائريّ زاوية تساوي منطقة القطاع. و بالمثل، تُقاس زاوية القطع الزائد للقوس القطع الزائديّ بالمنطقة الموافقة من قطاع القطع الزائد ذو المعادلة xy = 1.
يعود الفضل إلى ليونارد يولر الذي عرَّف بأهمية عدد يولر e=2.71828... كأساس للدالة الأسيّة واللوغاريتم الطبيعيّ. حيث أنه قدَّم لفكرة الدالة المتسامية لتصنيف الدوال المثلثيّة والأسيّة في كتاب مقدمة في تحليل اللانهاية (1748). يتطلَّب تقدير مساحة القطع الزائد اللوغاريتم الطبيعيّ، لذا كان يحول نقص التعبير عن تربيع القطع الزائد دون حساب التكامل، حتى وصفه جريجوري دي سانت-فينست (1647) بميزة لوغاريتميّة: إن توافق تسلسل حسابيّ من المناطق مع التسلسل الهندسيّ للمُقاربات. قادت توضيحات نيكولاس مركاتور وكريستيان هوغنس إلى مقدمة يولر التي فصَّلت الدوال الدائريّة من حيث السلسلة اللانهائيّة.
إن صلة الوصل بين المنطقة وأقواس الدائرة ودوال القطع الزائد تُظهر "طبيعيّة" اللوغاريتم.

التعريفات

رسمياً، في حالة a يُمكن تعريف اللوغاريتم الطبيعيّ بأنه المنطقة تحت القطع الزائد 1/x. هذا هو التكامل

هذه الدالة لوغاريتم لأن توافق المبدأ الأساسيّ للوغاريتم:

يُمكن توضيح ذلك من خلال تقسيم التكامل الذي يُعرِّف ln(ab) إلى جزأين ومن ثُمّ المكاملة بالتعويض x = ta في الجزء الثاني، وفق الآتي:

في المصطلحات الأوليّة، هذا مجرد تحجيم بواسطة 1/a في الاتجاه الأفقيّ وبواسطة a في الاتجاه العموديّ. لا تتغير المنطقة تحت هذا التحوّل، ولكن يتم إعادة تشكيل المنطقة بين a و ab. لأن الدالة a/(ax) تُساوي الدالة 1/x، تكون المنطقة الناتجة بالضبط ln(b).
يُعرَّف العدد e بأنه عدد حقيقيّ فريد a حيث ln(a) = 1.
بدلاً من ذلك، إذا عُرِّفت الدالة الأسيّة أولاً، قل باستخدام سلسلة لانهائيّة، قد يُعرَّف اللوغاريتم الطبيعيّ بالدالة العكسيّة مثلاً ln هي كالدالة الآتية exp(ln(x)) = x. و بما أن مجال الدالة الأسيّة متزايد بحدّة، فإن ذلك مُحدَّد بشكل جيّد لجميع قيم x الإيجابيّة.

خاصيات

اتصال ورتابة دالة اللوغاريتم الطبيعي

نستنتج مما سبق ان الدالة ln معرفة على وقابلة للاشتقاق على هذا المجال و:

و منه الدالة ln متصلة على و بما ان مشتقتها موجبة قطعا فانها تزايدية قطعا على

عمليات على دالة اللوغاريتم الطبيعي

لتكن f دالة معرفة ب حيث a و x عددان موجبان قطعا. مشتقة هي نفس مشتقة دالة اللوغاريتم الطبيعي اي ان :

و بما ان : f(1) =k فان : ln(a)=k اذن وبصفة عامة :

من هذه الخاصية نستنتج الخاصيات التالية :

هوامش

ملاحظة 1: تتضمن هذه اللغات سي، و سي ++ و ساس و ماتلاب و ماثماتيكا و فورتران و بايزيك.