Cao Yi

对数的三个基本运算性质

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假设 $a \in \mathbb{R}, M \in \mathbb{R}, N \in \mathbb{R}, n \in \mathbb{R}, a > 0, a \neq 1, M > 0, N > 0$, 以下三个等式恒成立:

证明性质一

【证明一】:

假设 $\log_{a}{M} = p, \log_{a}{N} = q$

则 $M = a^p, N = a^q$

所以 $MN = a^p a^q = a^{p+q}$

所以 $p+q = \log_{a}{(MN)}$

即 $\log_{a}{M} + \log_{a}{N} = \log_{a}{(MN)}$

【证明二】:

$\log_{a}{(MN) = \log_{a}{a^pa^q}} = log_{a}{a^{p+q}} = p+q = \log_{a}{M} + \log_{a}{N}$

证明性质二

假设 $\log_{a}{M} = p$

则 $M=a^p$

所以 $M^n = {(a^p)}^{n} = a^{np}$

所以 $\log_{a}{M^n} = \log_{a}{a^{np}} = np = n\log_{a}{M}$

证明性质三

性质三并不是独立的,它可以由性质一和性质二直接推出。

根据性质一,有 $\log_{a}{\dfrac{M}{N}} = \log_{a}{MN^{-1}} = \log_{a}{M} + \log_{a}{N^{-1}}$

再根据性质二,有 $\log_{a}{N^{-1}} = -\log_{a}{N}$

所以 $\log_{a}{\dfrac{M}{N}} = \log_{a}{M} - \log_{a}{N}$

后记

这三个对数运算性质,分别对应以下指数运算规律:

从这个角度看,对数的运算性质本质上是指数运算规律的“翻译”。

本文中提到的几个对数的运算性质非常基础,甚至可以通过它对应的指数形式很直观地得到它的这些形式,但证明还是有必要的。直觉让人能熟练使用这些性质,但证明能让使用更加可靠。