I logaritmi di Nepero

Nepero

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I logaritmi di Nepero

Il metodo dei logaritmi fu proposto da Nepero nel 1614, in un libro intitolato Mirifici Logarithmorum Canonis Descriptio. Joost Bürgi inventò indipendentemente i logaritmi, ma pubblico i suoi risultati sei anni dopo Nepero.

John Napier, noto come Giovanni Nepero o, più spesso, semplicemente Nepero (Merchiston Castle, 1550 – Edimburgo, 4 aprile 1617), è stato un matematico, astronomo e fisico scozzese, celebre per l’introduzione del logaritmo naturale, dei bastoncini (o ossi) di Nepero e anche per aver sostenuto l’uso delle frazioni decimali e del punto come separatore decimale.

Nepero stesso ci informa di aver lavorato alla sua proposta concernente i logaritmi per venti anni, fino a pubblicare nel 1614 la Mirifici logarithmorum canonis descriptio (Descrizione della regola meravigliosa dei logaritmi). In questa opera dedica 37 pagine alla descrizione della possibilità di utilizzare funzioni inverse di funzioni esponenziali per semplificare i calcoli che richiedono moltiplicazioni. Altre 90 pagine sono dedicate a tavole numeriche volte a facilitare i calcoli. Egli non individua un’unica funzione logaritmica, sviluppa calcoli in varie basi (in particolare 1/e e 107) e solo dopo averne discusso con Henry Briggs propende per una funzione logaritmica che si annulla quando il suo argomento vale 1. La sua concezione dei logaritmi non è ancora algebrica, ma si basa sopra un’analogia dinamica.

Sentiva in modo particolare la necessità di costruire un sistema che consentisse l’esecuzione di calcoli con grande velocità. Al riguardo, nel suo libro Rabdologiae dato alle stampe nel 1617, affermava: Eseguire calcoli è operazione difficile e lenta e spesso la noia che ne deriva è la causa principale della disaffezione che la maggioranza della gente prova nei confronti della matematica ….

Napier inventò un dispositivo di calcolo, poi noto come bastoncini di Nepero o anche ossi di Napier, che consente di svolgere le moltiplicazioni in modo piuttosto semplice. Nell’appendice di quest’opera propone l’uso di una sorta di strumento antesignano del regolo calcolatore.

Il procedimento

Per sottrazioni successive, Nepero calcolò (1 − 10−7)L per L da 1 a 100; il risultato per L=100 è approssimativamente 0,99999, ovvero (1 – 10-5). Nepero poi calcolò il prodotto di questi numeri per 107(1 − 10−5)L, con L da 1 a 50. Questi calcoli, che occuparono 20 anni, gli permisero di trovare, per ogni numero intero N da 5 a 10 milioni, il numero L che risolve ‘equazione

N=10^7(1-10^7)^L.

Nepero chiamò inizialmente questo valore un “numero artificiale”, ma successivamente introdusse il nome “logaritmo”, da “logos”, proporzione, e “arithmos”, numero. Usando una notazione moderna, i calcoli di Nepero gli avevano permesso di calcolare

L = \log_{(1-10^{-7})} \!\left( \frac{N}{10^7} \right) \approx 10^7 \log_{ \frac{1}{e}} \!\left( \frac{N}{10^7} \right) = -10^7 \log_e \!\left( \frac{N}{10^7} \right),

dove l’approssimazione compiuta corrisponde alla seguente:

{(1-10^{-7})}^{10^7} \approx \frac{1}{e}.

L’invenzione di Nepero fu velocemente e largamente acclamata: i lavori di Bonaventura Cavalieri (Italia), Edmund Wingate (Francia), Xue Fengzuo (Cina) e Giovanni Keplero (Germania) permisero di diffondere ampiamente l’idea.

Nel 1647, Grégoire de Saint-Vincent collegò i logaritmi alla quadratura dell’iperbole, dimostrando che l’area A(t) sottesa da 1 a t soddisfa

A(tu) = A(t) + A(u).

Il logaritmo naturale fu per la prima volta descritto da Nicolaus Mercator nel suo scritto Logarithmotechnia pubblicato nel 1668, anche se precedentemente l’insegnante di matematica John Speidell aveva compilato una tavola di logaritmi naturali nel 1619.

Intorno al 1730, Eulero definì la funzione esponenziale e la funzione logaritmo come

e^x = \lim_{n \rightarrow \infty} (1+x/n)^n,
\ln(x) = \lim_{n \rightarrow \infty} n(x^{1/n} - 1).

Eulero inoltrò dimostrò che queste due funzioni erano una l’inversa dell’altra.

Tavole dei logaritmi e applicazioni storiche

Semplificando calcoli complessi, i logaritmi contribuirono ampiamente all’avanzamento della scienza, e in particolare dell’astronomia. Lo strumento che ne permise l’uso pratico furono le tavole dei logaritmi. La prima di esse fu completata da Henry Briggs nel 1617, subito dopo l’invenzione di Nepero. Successivamente, furono scritte altre tavole con diversi scopi e precisione. In esse veniva elencato il valore di logb(x) e di bx per ogni numero x in un certo intervallo, con una precisione fissata e con una base b scelta (solitamente b=10). Per esempio, la tavola di Briggs conteneva il logaritmo in base 10 di tutti i numeri da 1 a 1000, con una precisione di 8 cifre decimali. La funzione bx, poiché inversa del logaritmo, venne chiamata antilogaritmo.

Il prodotto e il quoziente di due numeri c e d venivano così calcolati con rispettivamente la somma e la differenza dei loro logaritmi. Il prodotto cd è l’antilogaritmo della somma dei logaritmi di c e d:

 c d = b^{\log_b (c)} \, b^{\log_b (d)} = b^{\log_b (c) + \log_b (d)}.

Il quoziente c/d è l’antilogaritmo della differenza dei logaritmi di c e d:

\frac c d = c d^{-1} = b^{\log_b (c) - \log_b (d)}.

Per compiere calcoli complessi con una buona precisione queste formule erano molto più veloci del calcolo diretto oppure dell’utilizzo di metodi precedenti, come quello di prostaferesi.

Anche il calcolo di potenze e di radici veniva semplificato, riducendosi a moltiplicazione e divisione di logaritmi:

c^d = (b^{\log_b (c) })^d = b^{d \log_b (c)}

e

\sqrt[d]{c} = c^{\frac 1 d} = b^{\frac{1}{d} \log_b (c)}.

In matematica, il logaritmo di un numero in una data base è l’esponente al quale la base deve essere elevata per ottenere il numero stesso.[1] Per esempio, il logaritmo in base 10 di 1000 è 3, poiché bisogna elevare 10 alla terza per ottenere 1000, ovvero 103=1000. Più generalmente, se x=by, allora y è il logaritmo in base b di x, ovvero y=logbx.

I logaritmi furono introdotti da Nepero all’inizio del 1600, e trovarono subito applicazione nelle scienze e nell’ingegneria, soprattutto come strumento per semplificare calcoli con numeri molto grandi, grazie all’introduzione di tavole di logaritmi.

La funzione loga(x) (logaritmo in base a di x) è la funzione inversa dell’elevamento a potenza in base a, ovvero di ax. È di importanza fondamentale il logaritmo naturale, ovvero il logaritmo che ha come base il numero di Nepero e (≈ 2.718): esso è l’inverso della funzione esponenziale ex.

Il grafico della funzione logaritmo in base 2

Il grafico della funzione logaritmo in base 2

Si dice logaritmo in base a di un numero x l’esponente da dare ad a per ottenere x (x viene chiamato argomento del logaritmo). In altre parole, se

x = a^y

si scrive che

y = \log_a x

(si legge: y è il logaritmo in base a di x).

Nell’equazione: y = logax
y è la risposta alla domanda “A quale numero bisogna elevare a per ottenere x?”.

Per essere definito, la base a deve essere un numero positivo reale diverso da 1, e x deve essere un numero reale positivo. Queste ipotesi sono necessarie per fare in modo che il logaritmo esista e sia unico. Infatti:

  • Se a=0 e x\neq 0, non esistono y tali che x=a^y.
  • Se a=0 e x=0, ne esistono infiniti.
  • Se a=1 e x\neq 1, non esistono y. (Non esiste nessun numero – a parte 1 stesso – che possa essere ottenuto attraverso una potenza di 1. Infatti 1 elevato a qualunque numero dà sempre uno).
  • Se a=1 e x=1, ne esistono infiniti. (Possiamo elevare 1 a qualsiasi numero ma otterremo sempre 1).
  • Se a<0, l’elevamento a potenza a^y non è definito per tutti i numeri reali y (può essere definito solo sui naturali e in generale sui razionali esprimibili con una frazione con denominatore dispari).
  • Il risultato di un elevamento a potenza (di un numero positivo, per l’osservazione precedente) è un numero positivo, quindi deve essere x>0.

Esempi

Per esempio, log3 81 = 4 perché 34 = 3 ×3 ×3×3 = 81.

I logaritmi possono anche essere negativi (a differenza della base e dell’argomento). Infatti

\log_{3}(\frac{1}{3})=-1

poiché 3^{-1}=\frac{1}{3}.

Inoltre, qualunque sia la base, loga(a) = 1 e loga(1)=0, poiché a1=a e a0=1 rispettivamente.

Proprietà dei logaritmi

Dalle relazioni a1=a e a0=1, che valgono qualsiasi sia la base a, derivano le proprietà di base:

 \log_a {a} = 1\,\!
 \log_a 1 = 0\,\!

Inoltre, dalla definizione segue che:

 a^{\log_a x} = \log_a {a^x} = x

Prodotto, quoziente, potenza e radice

Una delle più importanti proprietà dei logaritmi è che il logaritmo del prodotto di due numeri è la somma dei logaritmi dei due numeri stessi. Allo stesso modo, il logaritmo del quoziente di due numeri non è altro che la differenza tra i logaritmi degli stessi. In altre parole valgono

 \log_a (x \cdot y) = \log_a x + \log_a y
 \log_a \frac{x}{y} = \log_a x - \log_a y

Inoltre, il logaritmo di un numero elevato a una certa potenza k è uguale a k moltiplicato per il logaritmo del numero stesso. Da questo discende che il logaritmo della radice k-esima di un numero è uguale all’inverso di k per il logaritmo del numero, e che il logaritmo dell’inverso di un numero è l’opposto del logaritmo del numero stesso. In altre parole valgono:

 \log_a x^k = k \cdot \log_a x
\log_a\sqrt[k]{x} = \frac{1}{k}\log_a(x)
 \log_a {\frac {1} {x}} = -\log_a x.

Cambiamento di base

Noto il valore di un logaritmo in una base, è semplice calcolarne il valore in un’altra base (spesso le calcolatrici danno il logaritmo solo in basi 10 ed e).
Se b, x, e k sono tutti numeri reali positivi (con b ≠ 1 e k ≠ 1):

\log_b x = \frac{\log_k x}{\log_k b}

dove k è una base qualsiasi. La formula può essere scritta nel modo seguente

\log_k b\cdot \log_b x = \log_k x

e segue dalla relazione

 k^{\log_k b\cdot \log_b x} = (k^{\log_k b})^{\log_b x} = b^{\log_b x} = x.

Dalla formula del cambiamento di base, ponendo k = x, si ricava la relazione seguente:

\log_b x =\frac{1}{\log_x b }.

Basi del logaritmo

Anche se in linea di principio i logaritmi possono essere calcolati in qualunque base positiva e diversa da 1, quelle più utilizzate sono tre:

  • base 10 (logaritmi decimali o volgari o di Briggs), usati per le operazioni di calcolo; li si indica con log10, più genericamente con log, più raramente con Log.
  • base e (logaritmi naturali o neperiani), usati nel calcolo infinitesimale; li si indica con ln, più raramente con log (quando, dal contesto, la base a cui ci si riferisce è chiara).
  • base 2 (logaritmi binari), usati soprattutto nell’analisi della complessità computazionale, nella teoria dei codici e nella teoria dei segnali; li si indica con log2, più raramente con log (quando, dal contesto, la base a cui ci si riferisce è chiara).

Funzione logaritmo

Logaritmi con varie basi: rosso per la base e, verde per la base 10 e viola per la base 1,7. Come si può notare, tutte le funzioni passano per il punto (1, 0).

La funzione logaritmo è la funzione

f(x) = \log_b(x).

La funzione è definita sulla semiretta (0,+\infty). In figura sono disegnati tre esempi della funzione logaritmo con diversi valori per la base b. La curva rossa è per la funzione con base b=e costante di Nepero (valore approssimato: 2,718…) Come si può notare dal grafico, il campo d’esistenza, e quindi il dominio della funzione logaritmo (l’insieme entro cui variano i valori delle x), è compreso nei valori tra (0,+\infty);mentre il codominio, insieme in cui variano i valori delle y, è R. Quindi si capisce che si può lavorare e sono verificate soltanto quelle funzioni logaritmo che hanno l’argomento maggiore strettamente a 0.

Derivata

La funzione logaritmo è derivabile e la sua derivata è la seguente:

\frac{d}{dx} \log_b x = \frac{1}{x \ln b} = \frac{\log_b e}{x}

dove ln è il logaritmo naturale, cioè con base e. In particolare, la relazione seguente è fondamentale nel calcolo infinitesimale:

\frac{d}{dx} \ln x = \frac 1x.

Dimostrazione con la funzione inversa

L’eguaglianza è dimostrabile usando la regola della funzione inversa:

\left( f^{-1} \right)' \left( y_0 \right ) = \frac{1}{f' \left( x_0 \right)}

La funzione inversa del logaritmo è la funzione esponenziale, la cui derivata coincide con se stessa:

\frac{d}{dx}e^x =e^x.

Ne segue:

\frac{d}{dx} \ln x = \frac{1}{\frac{d e^{\ln x}}{d\ln x}} = \frac{1}{e^{\ln x}} = \frac{1}{x}.

Dimostrazione tramite definizione

Si può utilizzare direttamente la definizione di derivata:

\frac{d}{dx} \log_b x = \lim_{h \to 0}\frac{\log_b (x+h)-\log_b x}{h}

=\lim_{h\to 0} \frac{\log_b(\frac{x+h}{x})}{h} =\lim_{h\to 0} \frac{\log_b\left(1+\frac{h}{x}\right)}{h}
=\lim_{h\to 0} \frac{\log_b\left(1+\frac{h}{x}\right)}{\frac{h}{x}x}

e, ricordando il limite notevole del logaritmo, si ottiene:

=\frac{1}{x \ln b}.

Convessità e concavità

La derivata seconda della funzione logaritmo è

\frac{d^2}{dx^2} \log_b x = -\frac{1}{x^2 \ln b}.

Se b>1, questo valore è sempre negativo e la funzione è quindi funzione concava. Se b<1 è invece sempre positivo e la funzione è convessa.

Integrale

La funzione logaritmo è continua e quindi integrabile. La funzione integrale del logaritmo, con base generica b, è (applicando l’integrazione per parti):

\int \log_b x \,dx = x \log_b x - \frac{x}{\ln b} + C = x \log_b \left(\frac{x}{e}\right) + C

dove C è la generica costante di integrazione.

Funzione analitica

La funzione logaritmo è analitica. Non è possibile però descrivere la funzione su tutto il suo dominio con una sola serie di potenze (come avviene ad esempio per la funzione esponenziale): lo sviluppo centrato in un punto R>0 ha infatti raggio di convergenza R ed è quindi convergente solo nell’intervallo (0,2R). Ad esempio, lo sviluppo in R=1 è il seguente:

\ln (1+x) = \sum_{i=1}^{\infty} (-1)^{i+1} \frac{x^i}{i} = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \frac{x^4}{4} + \cdots

Logaritmo complesso

Grafico del logaritmo complesso: l’altezza rappresenta il modulo ed il colore l’angolo.

La funzione logaritmo può essere estesa ai numeri complessi diversi da zero; nel caso in cui si tratti di un logaritmo naturale con argomento complesso vale la formula seguente

\ln{z} = \ln{|z|} + i\left(\mathrm{arg}\ z+2\pi k\right), z \in \mathbb{C}

essendo i l’unità immaginaria e arg z l’argomento di z. Il logaritmo complesso è in realtà una funzione a più valori, determinati dal parametro intero k.



Categorie:L08- Trigonometria - Trigonometry

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