Logarithme (encyclopédie mathématiques)

Fonctions logarithmes : en rouge la fonction logarithme de base e, en vert celle de base 10 et en violet celle de base 1,7.

Le logarithme de base b d'un nombre réel positif est la puissance à laquelle il faut élever la base b pour obtenir ce nombre. Par exemple, le logarithme de mille en base dix est 3, car 1000 = 10³. Le logarithme de x en base b est noté log_b(x). Ainsi log₁₀(1000) = 3.

Tout logarithme transforme un produit en somme :

$\log_b(xy) = \log_b x + \log_b y \,$

et une puissance en produit :

$\log_b(x^p) = p \log_b x. \,$

John Napier a développé les logarithmes au début du XVII^e siècle. Pendant trois siècles, les tables de logarithmes et les règles à calculs ont été utilisées pour réaliser des calculs, jusqu'à leur remplacement, à la fin du XX^e siècle, par des calculatrices. Pour les calculs, le logarithme décimal (c'est-à-dire en base dix) était le plus communément utilisé. Le logarithme népérien (ou naturel) est celui qui utilise le nombre e comme base, il est fondamental en analyse mathématique car il est la fonction réciproque de la fonction exponentielle. Le logarithme binaire, qui utilise 2 comme base, est utile pour les calculs appliqués, et en informatique théorique.

Une échelle logarithmique permet de représenter sur un même graphique des nombres dont les ordres de grandeurs sont très différents. Les logarithmes sont fréquents dans les formules utilisées en sciences, mesurent la complexité des algorithmes et des fractales et apparaissent dans des formules permettant de compter les nombres premiers. Ils décrivent les intervalles musicaux ou certains modèles de psychophysique.

Le logarithme complexe est la fonction réciproque de l'exponentielle complexe et généralise ainsi la notion de logarithme aux nombres complexes. Le logarithme discret généralise les logarithmes aux groupes cycliques et a des applications en cryptographie à clé publique.

Sommaire

[modifier] Historique

Vers la fin du XVI^e siècle, le développement de l'astronomie et de la navigation d'une part et les calculs bancaires d'intérêts composés d'autre part^[1], poussent les mathématiciens à chercher des méthodes de simplifications de calculs et en particulier le remplacement des multiplications par des sommes. Utilisant les tables trigonométriques, les mathématiciens Paul Wittich (1546—1586) et Christophe Clavius (dans son traité de Astrolabio^[2]) établissent des correspondances entre produit ou quotient d'une part et somme, différence et division par deux d'autre part, pour des nombres inférieurs à 1 à l'aide de relations trigonométriques^[3]. Par exemple en posant $x = sin(a) et y = cos(b)$ on peut formuler :

$x \times y=\sin(a)\times \cos(b)=\frac{\sin(a-b)+\sin(a+b)}{2}.$

C'est la méthode dite de prosthaphaeresis^[4] qui est avantageusement remplacée quelques années plus tard par les tables logarithmiques.

Simon Stévin, intendant général de l'armée hollandaise, met au point des tables de calculs d'intérêts composés. Ce travail est poursuivi par Jost Bürgi qui publie en 1620, dans son Aritmetische und geometrische Progress-tabulen, une table de correspondance entre $n$ et $1,0001 n$ . À une somme dans la première colonne correspond ainsi un produit dans la seconde colonne^[5].

En 1614, John Napier (ou Neper) publie son traité Mirifici Logarithmorum Canonis Descriptio. Il ne songe pas qu’il est en train de créer de nouvelles fonctions, mais seulement des tables de correspondances (logos = rapport, relation, arithmeticos = nombre) entre deux séries de valeurs possédant la propriété suivante: à un produit dans une colonne correspond une somme dans une autre. Ces tables de correspondances ont été créées initialement pour simplifier les calculs trigonométriques apparaissant dans les calculs astronomiques et seront utilisées quelques années plus tard par Kepler. La notation Log comme abréviation de logarithme apparait en 1616 dans une traduction anglaise de l'œuvre de Neper^[6]. En 1619, apparaît une œuvre posthume de Neper Mirifici Logarithmorum Canonis Constructio, où il explique comment construire une table de logarithmes.

Son travail sera poursuivi et prolongé par le mathématicien anglais Henry Briggs qui publie en 1624 ses tables de logarithmes décimaux (Arithmética logarithmica) et précise les méthodes d’utilisation des tables pour calculer des sinus, retrouver des angles de tangente... Le logarithme décimal est parfois appelé logarithme de Briggs en son honneur. La même année, Johann Kepler publie Chilias logarithmorum construites en utilisant un procédé géométrique^[7]. La table de Briggs présente les logarithmes à 14 chiffres des nombres compris entre 1 et 20 000 et entre 90 000 et 100 000. Son travail est complété par Ezechiel de Decker et Adriaan Vlacq qui publient en 1627 une table de logarithmes complète^[5].

En 1647, lorsque Grégoire de Saint-Vincent travaille sur la quadrature de l’hyperbole, il met en évidence une nouvelle fonction qui se trouve être la primitive de la fonction $\scriptstyle x \mapsto \frac 1 x$ s’annulant en 1 mais c’est Huygens en 1661 qui remarquera que cette fonction se trouve être une fonction logarithme particulière : le logarithme naturel.

La notion de fonction, la correspondance entre les fonctions exponentielles et les fonctions logarithmes n’apparaissent que plus tardivement après le travail de Leibniz sur la notion de fonction (1697).

[modifier] Propriétés des fonctions logarithmes de base a

[modifier] Propriétés algébriques

Article détaillé : Identités logarithmiques.

La définition impose que toute fonction logarithme soit nulle en 1.

Toute fonction logarithme est par définition un morphisme de $(\R_+^{*},\cdot)$ vers $(\R,+)$ .

Pour tout réel $a$ strictement positif et différent de 1, le logarithme de base $a$ : $log a$ est la fonction continue définie sur $\R^*_+$ vérifiant :

pour tous

x

y

réels strictement positifs,

$\log_a(xy) = \log_a(x) + \log_a(y)\,$

$\log_a(a) = 1\,$

Cette définition permet de déduire rapidement les propriétés suivantes

$\log_a(1) = 0\,$

$\log_a(x/y) = \log_a(x) - \log_a(y)\,$

$\log_a(x^n)=n \log_a(x)\,$

$\log_a(a^n) = n\,$ pour tout entier naturel

n

, puis pour tout entier relatif

n

$\log_a(a^r) = r\,$ pour tout rationnel

r

Comme tout réel strictement positif $x$ peut être considéré comme limite de termes de la forme $a^{r_n}$ , où $(r n)$ est une suite de rationnels convergeant vers un réel $\ell$ , on détermine $log a (x)$ comme la limite de $r n$ .

[modifier] Proportionnalité

Deux fonctions logarithmes ne diffèrent que d’une constante multiplicative près : pour tous réels strictement positifs différents de 1, $a$ et $b$ , il existe un réel $k$ tel que

$\log_b = k\,\log_a$

Ce réel $k$ vaut $\frac{1}{\log_a(b)}$

En effet $log b$ est la fonction continue qui transforme un produit en somme et qui vaut 1 en $b$ , mais, pour tout réel $k$ non nul, la fonction $k log a$ est aussi une fonction continue, non constante qui transforme un produit en somme et cette fonction vaut 1 en b si et seulement si

$k=\frac{1}{\log_a(b)}$ .

Toutes les fonctions logarithmes peuvent donc s’exprimer à l’aide d’une seule, une dont on connaît déjà la dérivée : la fonction logarithme népérien. Pour tout réel $a$ strictement positif et différent de 1, et pour tout réel $x$ strictement positif, on a :

$\log_a(x) = \frac{\ln(x)}{\ln(a)}$

[modifier] Dérivée

La fonction $log a$ est dérivable sur $\R_+^*$ de dérivée :

$\log_a'(x) = \frac{1}{x\ln(a)}$

Elle est donc strictement monotone, croissante quand $a$ est supérieur à 1, décroissante dans le cas contraire.

C’est une bijection dont la réciproque est la fonction $x \mapsto a^x$

[modifier] Fonctions logarithme courantes

[modifier] Logarithme décimal

Article détaillé : logarithme décimal.

C’est le logarithme le plus pratique dans les calculs numériques, il est noté log ou $log 10$ . On le retrouve dans la création des échelles logarithmiques, les repères semi-logarithmiques ou log-log, dans la règle à calcul, dans le calcul du pH, dans l’unité du décibel.

Il précise à quelle puissance il faut élever 10 pour retrouver le nombre de départ : l'image d'un nombre par log est l'entier relatif auquel il faut élever 10 pour obtenir l'antécédent. Par exemple :

si x=10, log(10) = 1 car 10¹ = 10

si x=100, log(100) = 2 car 10² = 100

si x=1000, log(1000) = 3 car 10³ = 1000

si x=0,01, log(0,01) = -2 car 10^-2 = 0,01

La valeur du logarithme d’autres nombres que des puissances de 10 demande un calcul approché. Le calcul de $log(2)$ par exemple peut se faire à la main, en remarquant que $2^{10} \approx 1000$ donc $10\log(2) \approx 3$ donc $\log(2) \approx 0,3$ .

[modifier] Logarithme népérien

Article détaillé : logarithme naturel.

Le logarithme népérien, ou logarithme naturel, est la fonction logarithme dont la dérivée est la fonction inverse définie de $\R_+^*$ dans $\R$ : $x \mapsto \frac 1 x$ .

La fonction de Neper est par convention notée « Log » ou « ln », la première notation étant maintenant périmée^[8].

La base de la fonction logarithme népérien, notée e, est appelée nombre de Néper^[9] ou nombre d'Euler^[10]^,^[11].

Sa valeur approchée est :

$\mathrm{e} \approx 2,718\ 281\ 828\ 459\ 045\ 235\ 360 \ldots$ .

[modifier] Notes et références

↑ Jean-Pierre Friedelmeyer, L'invention des logarithmes par Neper et le calcul des logarithmes décimaux par Briggs
↑ (en) Encyclopedia Britannica, John Napier, note 2
↑ (en) Julian Havil, Freeman Dyson, Gamma: Exploring Euler's Constant, chap. 1 The Logarithme Cradle, p. 1-2
↑ (en) Brian Borchers, Prosthaphaeresis
↑ ^{a et b} Petite encyclopédie de mathématiques (p 72). Edition Didier (1980)
↑ Origine et histoire des symboles mathématiques sur le site math93.com
↑ (en) Présentation de Chilias Logarithmorum sur le site find-a-book.com
↑ La norme AFNOR NF X 02-1 01, de 1961, impose la notation ln, (Tables numériques Labordes, p VI, 1976).
↑ D. Guinin et B. Joppin, Mathématiques MPSI: Exercices, Bréal, 2003 (ISBN 9782749501758) p. 33
↑ O. Ferrier, Maths pour économistes: L'Analyse en économie, vol. 1, De Boeck Université, 2006 (ISBN 9782804143541) p. 275
↑ Ne pas confondre ce nombre d'Euler e avec la constante d'Euler (ou d'Euler-Mascheroni) γ, ni avec les nombres d'Euler ou avec les nombres eulériens.

[modifier] Voir aussi

Sur les autres projets Wikimedia :

Les logarithmes, sur Wikimedia Commons
Logarithme, sur Wikiversity
Photographie/Mathématiques (sections "Découverte des logarithmes" et "Que fait-on avec les logarithmes ?"), sur Wikibooks

[modifier] Articles connexes

Logarithme naturel
Logarithme décimal
Logarithme complexe
Antilogarithme
Fonction polylogarithme
Fonction holomorphe
Exponentielle
Loi de Benford
Acoustique musicale : Intervalles sonores et logarithmes

Applications pratiques

Règle à calcul
Échelle logarithmique
Table de logarithmes

[modifier] Liens externes

Une histoire des logarithmes sur le site de l’Université libre de Bruxelles

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