¿Es el logaritmo natural realmente único como multiplicador?

La página de Wikipedia sobre el logaritmo natural dice: 'Los logaritmos se pueden definir en cualquier base positiva que no sea 1, no solo e. Sin embargo, los logaritmos en otras bases difieren solo por un multiplicador constante del logaritmo natural y generalmente se definen en términos de este último. Esto parece sugerir que solo los logaritmos naturales tienen esta propiedad, a saber:

(0) yo o gramo a ( X ) = C . yo o gramo mi ( X )
dónde X puede variar y sin embargo C permanece constante. Esta pregunta sigue a esta sobre el resultado:
(1) C X = C . yo o gramo mi ( X ) + C
dada por WolframAlpha, donde declaran explícitamente que se está utilizando el logaritmo natural. Sin embargo, mi lectura de la prueba de Wikipedia de la diferenciación de yo norte ( X ) (que en realidad es independiente de la base) me llevó a creer que la ecuación anterior se puede escribir:
(2) yo o gramo a ( mi ) X = yo o gramo a ( X ) + C
Si a = mi por supuesto, coinciden; no trivialmente la implicación, de ( 0 ) , es eso:
C = yo o gramo a ( mi )
yo o gramo a ( X ) yo o gramo a ( mi ) = yo o gramo mi ( X )
(Ver Wikipedia, Logaritmo, Cambio de base). Algebraicamente, todo esto se verifica; sin embargo, comenzamos asumiendo la propiedad que conectaba las dos integrales, por lo que debemos hacernos la pregunta: ¿realmente esa propiedad solo se aplica a los logaritmos naturales? Y, ¿podría reescribirse el resultado de Wolfram sin especificar una base en absoluto?

Considere la siguiente prueba:

from math import log    #log is ln in python unless a 2nd argument gives a base

print()
print('log(18,1.5)', log(18,1.5))
print('log(18,3)', log(18,3))
print('log(18,1.5)/log(18,3)', log(18,1.5)/log(18,3))
print()
print('log(14,1.5)', log(14,1.5))
print('log(14,3)', log(14,3))
print('log(14,1.5)/log(14,3)', log(14,1.5)/log(14,3))
print()

que produce los resultados:

7.12853    6.50872
2.63093    2.40217
2.70951    2.70951

Los resultados tercero y sexto coincidieron exactamente (es decir, en todos los lugares decimales), aunque uno tenía un lugar más que el otro. ¿Qué muestran estos resultados? Estamos tratando de probar la teoría de que:

yo o gramo a ( X ) = C . yo o gramo b ( X )
dónde X puede variar para bases (b) distintas de mi . Entonces:
yo o gramo a ( X 1 ) yo o gramo b ( X 1 ) = yo o gramo a ( X 2 ) yo o gramo b ( X 2 )
porque ambos son iguales C . Esto es exactamente lo que se estaba probando. Reorganizando:
yo o gramo a ( X 1 ) yo o gramo a ( X 2 ) = yo o gramo b ( X 1 ) yo o gramo b ( X 2 )
yo o gramo X 2 ( X 1 ) = yo o gramo X 2 ( X 1 )
Y entonces 1 = 1 ! El último paso invoca la regla de cambio de base antes mencionada (que puede probarse a partir de X = b yo o gramo b ( X ) y la ley de potencia de los logaritmos). El resultado de todo esto es que es muy engañoso decir que C / X = C . yo o gramo mi ( X ) + C . Podría usar cualquier logaritmo.

EDITAR: para completar la diferenciación de yo o gramo ( X ) llevar ( 2 ) arriba (así es como 'sale'), conviértalo a:

yo o gramo a ( mi ) X = yo o gramo a ( mi ) . yo o gramo mi ( a ) . yo o gramo a ( X ) + C
de David K ​​(2), luego haz yo o gramo mi ( a ) . yo o gramo a ( X ) = yo o gramo mi ( X ) y yo o gramo a ( mi ) = C (porque a ya no esta relacionado con X ) para obtener ( 1 ) arriba. Solo el logaritmo natural nos permite hacer esto: encontrar la integral de C / X encontramos C . yo norte ( X ) en lugar de tener que calcular la base de yo o gramo a ( mi ) = C y luego el valor de yo o gramo a ( X ) . Antes de las computadoras, este probablemente habría sido el factor decisivo para elegir la mejor técnica (porque se tabulaban los logaritmos naturales).

Por qué dices eso en ¿La base es agnóstica? Por lo general, denota el logaritmo natural: en X = registro mi X . WolframAlpha no sigue esta convención y utiliza registro X para indicar el logaritmo natural.
No creo entender la pregunta. ¿Estás preguntando por la igualdad? registro a ( X ) = C registro mi ( X ) dónde C depende solo de a ? Ciertamente uno podría reemplazar mi Con algo b también. No estás atascado con el logaritmo natural, es solo que puedes elegir reducir cualquier otro logaritmo a él, y hay varias razones por las que eso es conveniente. En cuanto a la integración, sí. C / X d X C a norte b mi w r i t t mi norte a s d yo o gramo a ( X ) + C , pero solo con a = mi tiene d = C .
Porque si sigues el razonamiento en la diferenciación de ln(x) no hay nada que decir que debe ser base e. Solo usa las leyes de los logaritmos.
¿Podría aclarar cuál es su pregunta?
No, en ese aspecto te equivocas en alguna parte. Déjame ver tu cálculo.
Supongo que la pregunta es: ¿la afirmación engañosa de Wolfram equivale a un error?
También estoy confundido acerca de la pregunta: en cuanto a por qué elegimos en X , es simplemente porque cuando "haces cosas" con él, tiene un multiplicador de 1 y, por lo tanto, no deja atrás el cruft algebraico.
¿Qué afirmación? la afirmación C / X d X = C registro mi ( X ) + C es correcto. Puede reescribir esto en términos de un logaritmo diferente, pero luego el coeficiente se ve obligado a cambiar, lo cual es molesto. La respuesta de MSE que vinculó muestra esto.
@SiddharthBhat ¿Pero sería un logaritmo en otra base?
Este parece ser tu argumento de que es "erróneo" escribir una identidad para en que podría establecerse en mayor general para basado arbitrariamente registro s. No veo ninguna pregunta.
Podrías , no significa que debas . Puede optar por representar números en unario, por ejemplo, o hablar en un idioma con solo dos sonidos, o cualquier cantidad de cosas. Simplemente no hacemos esto la mayor parte del tiempo porque es inconveniente.
Hay un caso de uso legítimo para una base diferente - base 2 . En teoría de la información y ciencias de la computación, consideramos que los bits son nuestra "unidad de conteo" fundamental (ya que necesita dos de algo para incluso diferenciar entre cosas), por lo que registro 2 aparece mucho en estos dos campos
Por supuesto, lo engañoso que las diferentes personas encuentran en su redacción es subjetivo.
"Esto parece sugerir que solo los logaritmos naturales tienen esta propiedad". Con toda honestidad, tengo que decir que es una suposición completamente extraña y extraña, y realmente honesta y absurda. Si dos cosas son proporcionales a una tercera, son proporcionales entre sí. Por supuesto, int a/x dx puede ser a.ln (d) log_d x. Pero eso requiere un multiplicador ln (d). La conveniencia de utilizar la base natural es que este multiplicador es 1. Cada base tiene un único multiplicador y e es la única cuyo multiplicador es 1. Y eso es único. Y conveniente
Es único para esta integral en particular. También tenga en cuenta que la FTC implica que yo o gramo ( X ) = yo o gramo ( X ) pero Wikipedia implicaba que yo o gramo a ( mi ) / X [es decir yo o gramo a ( X ) o C / X ] es igual yo o gramo a ( X ) + C mientras que WolframAlpha afirma que C / X = C . yo o gramo mi ( X ) + C ; tenían que reconciliarse.
@selfawareuser Um... no, no lo hice.

Respuestas (5)

Hay un error en tu álgebra. De tu tercera ecuación

(1) registro a ( mi ) X d X = registro a ( X ) + C
puedes deducir que para cualquier C
(2) C X d X = C registro a ( mi ) registro a ( X ) + C .
(Esto es equivalente al resultado de Wolfram). Comparando (2) con tu segunda ecuación, no se sigue que C = registro a ( mi ) .

He ido y venido entre las dos integrales, todavía no puedo verlo...
Tenga en cuenta que el RHS de mi última ecuación tiene registro a ( X ) en lugar de registro mi ( X ) . Concluyendo que C = registro a ( mi ) es equivalente a afirmar a = mi .
¿No está claro cómo (2) se sigue de (1)? O no está claro por qué es incorrecto concluir C = registro a ( mi ) ?
Esta publicación sigue a través de la vinculada a esta en yo norte ( X ) . La última línea de la prueba (tomada de Wikipedia) es yo norte ( X ) = yo norte ( 1 + tu ) 1 / tu X pero como dije, la prueba es independiente de la base , por lo que C tiene que ser yo o gramo a ( mi ) , tu 0 .

Repitiendo la cita de Wikipedia:

Sin embargo, los logaritmos en otras bases difieren solo por un multiplicador constante del logaritmo natural y generalmente se definen en términos de este último.

No hay nada aquí que diga que esta propiedad del logaritmo natural es única. De hecho, si

registro a ( X ) = A registro mi ( X ) y registro b ( X ) = B registro mi ( X ) ,
entonces
registro a ( X ) registro b ( X ) = A registro mi ( X ) B registro mi ( X ) = A B
y por lo tanto
registro a ( X ) = ( A B ) registro b ( X ) .
Eso es, A / B es el multiplicador constante por el cual los logaritmos en base a y base b difieren, y siempre habrá algún multiplicador constante sin importar qué dos bases se usen.

Hasta ahora, esto concuerda con sus conclusiones, teniendo en cuenta que nada de lo que hemos encontrado contradice la cita de Wikipedia.

La razón de elegir el logaritmo natural como el que "normalmente" aparece en las definiciones de otros logaritmos tiene que ver con el hecho de que muchos matemáticos encuentran el logaritmo natural generalmente conveniente para cosas que a muchos matemáticos les gusta hacer. (La palabra "generalmente" en la entrada de Wikipedia debería ser una pista de que las definiciones no necesitan hacerse de esta manera. Tampoco es cierto que el logaritmo natural sea el logaritmo favorito de todos todo el tiempo. En algunas aplicaciones, a veces se usan otros logaritmos. privilegiado.)

Pero el logaritmo natural es único en la forma en que resuelve la integral que estabas viendo,

(1) C X d X = C registro mi ( X ) + C .
El logaritmo natural es el único logaritmo para el que puedes escribir correctamente esa ecuación con la misma constante multiplicativa C en ambos lados, sin introducir otros multiplicadores. Por supuesto, puede usar la propiedad "cada logaritmo es proporcional a cualquier otro logaritmo" para escribir
(2) C X d X = ( C registro mi ( a ) ) registro a ( X ) + C .
Esa es una fórmula simple, pero no tan simple como Ecuación ( 1 ) , porque necesitamos insertar un factor de registro mi ( a ) esa ecuación ( 1 ) no requiere; en general, C registro mi ( a ) C excepto cuando a = mi .

Hasta este punto, la constante C en ecuaciones ( 1 ) o ( 2 ) puede ser cualquier cosa que queramos: C = 1 , C = 2 , C = 10 , C = mi , o C = 100017 , cualquiera de esos funcionará. Pero supongamos que renunciamos a toda esa libertad y nos comprometemos con la afirmación de que C = registro a ( mi ) . Entonces Ecuación ( 2 ) se convierte

registro a ( mi ) X d X = ( registro a ( mi ) registro mi ( a ) ) registro a ( X ) + C = registro a ( X ) + C .

Así que hemos eliminado mi desde el lado derecho, pero ahora mira, ahí está en el lado izquierdo donde no había mi antes. Además, ¿qué pasó con nuestra tan versátil fórmula para resolver la integral C X d X ? ¿Cómo podemos resolver 3 X d X ? No podemos simplemente establecer C = 3 , porque ya nos hemos comprometido a establecer C = registro a ( mi ) . OK, hay una manera de evitar esto: elige a de modo que registro a ( mi ) = 3 . Podemos hacer esto configurando a = mi 3 . Entonces

3 X d X = registro mi 3 ( mi ) X d X = registro mi 3 ( X ) + C
y está esa molesta base del logaritmo natural mi de nuevo; ahora está de vuelta en el lado derecho, pero se usa de una manera que es mucho más rara y difícil de entender que antes.

Así que la felicidad en la integración de cualquier múltiplo de 1 / X se logra mejor recordando y usando la ecuación  ( 1 ) exactamente como está escrito, sin tratar de deshacerse del logaritmo natural que "naturalmente" aparece allí.


Le concedo que algunas de las declaraciones en la página de Wikipedia no son tan defendibles. Por ejemplo,

Otro sentido en el que el logaritmo en base e es el más natural es que se puede definir muy fácilmente en términos de una integral simple o una serie de Taylor y esto no es cierto para otros logaritmos.

Esto se apoya bastante en una noción preconcebida de lo que es "simple". Como vimos en la Ecuación  ( 2 ) , solo se necesita un factor multiplicativo más para definir cualquier logaritmo en términos de una integral simple. Por supuesto, ese factor resulta ser el logaritmo natural de la base de nuestro otro logaritmo; pero es solo un número ; no tenemos que desarrollar toda la función de logaritmo natural para derivarla. Es mejor (en mi opinión) decir que la definición del logaritmo natural por estos medios es más simple que las definiciones correspondientes de otros logaritmos.

'El logaritmo natural es el único logaritmo para el que puedes escribir correctamente esa ecuación con la misma constante multiplicativa C en ambos lados, sin introducir ningún otro multiplicador.' Vale la pena hacer la razón de eso explícita: C . yo o gramo mi ( X ) = yo o gramo a ( mi ) . yo o gramo mi ( X ) = yo o gramo a ( X ) . El último paso depende de la regla de cambio de base, que no funciona si mi se reemplaza con b .
Además, para completar: yo o gramo mi ( X ) = yo o gramo mi ( a ) . yo o gramo a ( X ) .
'Hasta este punto, la constante C en las Ecuaciones (1) o (2) puede ser lo que queramos... cualquiera de ellos funcionará. Pero supongamos que renunciamos a toda esa libertad y nos comprometemos con la afirmación de que C = yo o gramo a ( mi ) .' No estoy muy seguro de eso porque tiene que cancelar con yo o gramo mi ( a ) y el valor de a afecta el yo o gramo a ( X ) término.
En otras palabras: a y C están relacionados, y se usa el logaritmo natural porque solo entonces se vuelven verdaderamente independientes, es decir a está eliminado.
@David K ​​También puedes editar Wiki, ¿verdad?

Simplemente estás malinterpretando lo que dice el artículo (en Wikipedia, aquí ). La cita que explica por qué el logaritmo natural se llama únicamente "natural" es esta:

El logaritmo natural se puede definir para cualquier número real positivo a como el área bajo la curva y = 1 / X de 1 a a (el área se toma como negativa cuando a < 1 ). La simplicidad de esta definición, que coincide con muchas otras fórmulas que involucran el logaritmo natural, conduce al término "natural".

Esto es bastante claro, siempre y cuando esté de acuerdo en que "integral de 1 / X " es más simple en algún sentido que "integral de a / X "para cualquier otro a . La cita que te confunde, entonces, es esta:

Los logaritmos se pueden definir en cualquier base positiva que no sea 1 , no solo mi . Sin embargo, los logaritmos en otras bases difieren solo por un multiplicador constante del logaritmo natural y generalmente se definen en términos de este último.

Aquí el artículo dice que, aunque existen logaritmos en otras bases, cuando se ven como funciones difieren de una manera bastante trivial del logaritmo natural (es decir, por una constante multiplicativa). No está diciendo que este hecho sobre el logaritmo natural lo haga especial (como dices, no lo hace) ... la parte "natural" se explicó anteriormente. Solo dice que cualquier cosa fundamental que hay que aprender sobre los logaritmos en general se puede entender estudiando un logaritmo en particular, ya que todos están muy relacionados, y si vas a estudiar solo un logaritmo, también puede ser el natural (Del mismo modo, podríamos estudiar algunos múltiplos de las funciones trigonométricas, pero pecado X y porque X son "especiales" en eso pecado 2 X + porque 2 X = 1 , que es más simple que ( a pecado X ) 2 + ( a porque X ) 2 = a 2 por cualquier otro positivo a .)

Solo homogéneo con logaritmos son invariantes al cambio de base.

Ejemplos:

  • 4 registro 2 registro ( X y ) = 2 registro 4 registro ( X ) + registro dieciséis registro ( y )

es independiente de la base pero

  • registro 1000000 = 6

es cierto solo para registro 10 .

Di que te dan

d y d X = 2 y X

Los pasos de integración son:

d y y = 2 d X X

d y y = 2 d X X

registro y = 2 registro X + registro C

Tenga en cuenta que en lugar de lo habitual C elegimos poner registro C por conveniencia manipulativa porque después de todo es una constante arbitraria y cualquier función de una constante arbitraria también es arbitraria. Exponencia en ambos lados,

mi registro y = mi 2 registro X mi registro C
eso es
y = C X 2
donde la constante de integración junto con log ahora se ha convertido en un multiplicador.

Si pudiera completar algunos de los pasos intermedios, sería bueno.
Pasos añadidos, ¿mejor ahora?
Gracias, revisaré la lógica...