Logarithme

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 strictement 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 : $\log_b(x \cdot y) = \log_b x + \log_b y \,$
un quotient en différence : $\log_b\left(\frac{x}{y}\right) = \log_b x - \log_b y \,$
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.

Trois logarithmes sont remarquables :

Le logarithme népérien (ou naturel), qui utilise le nombre e comme base, est fondamental en analyse mathématique car il est la fonction réciproque de la fonction exponentielle ;
Le logarithme décimal, qui utilise la base dix, était le plus communément utilisé pour les calculs ;
Le logarithme binaire, qui utilise 2 comme base, est utile en informatique théorique et pour certains calculs appliqués.

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.

Historique

Article détaillé : histoire des logarithmes et des exponentielles.

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 $x =\sin(a) \text{ et } y = \cos(b)$ 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 apparaît 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).

Propriétés des fonctions logarithmes de base a

Propriétés algébriques

Article détaillé : Identités logarithmiques.

Les fonctions logarithmes sont par définition les morphismes continus non constamment nuls de $(\R_+^{*},\times)$ 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 l'équation fonctionnelle :

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 $x$ est la limite d'une suite dont le terme général est 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 étant la limite de $r_n$ .

Proportionnalité

Deux fonctions logarithmes ne diffèrent que d’une constante multiplicative : 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)}

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.

Fonction réciproque

Représentation dans le cas b > 1. Le graphe de la fonction logarithmique

log

_b(x) (bleu) est obtenu en reflétant celui de la fonction b^x (rouge) par rapport à la diagonale x = y.

La fonction $\log_a:\R_+^*\to\R$ est une bijection dont la bijection réciproque est la fonction $\R\to\R_+^*, x \mapsto a^x$ ^[8].

Autrement dit, les deux façons possibles de combiner (ou composer) les logarithmes et l’élévation à des puissances redonnent le nombre original :

pour tout réel $x$ , prendre la puissance $x$ -ième de $a$ , puis le logarithme en base $a$ de cette puissance, redonne $x$ : $\forall x\in\R_+^*\quad\log_a(a^x)=x\log_a(a)=x~;$
inversement, pour tout réel $y$ strictement positif, prendre d'abord le logarithme, puis élever $a$ à sa puissance, redonne $y$ : $a^{\log_a(y)} = y.$

Les fonctions réciproques sont étroitement liées aux fonctions originales. Leurs graphes, qui se correspondent lorsqu’on échange les coordonnées x et y (ou par réflexion par rapport à la diagonale x = y), sont montrés à droite dans le cas où a est un réel b strictement supérieur à 1 : un point (u, t = b^u) sur le graphe (rouge) de la fonction x ↦ b^x fournit un point (t, u = log_b(t)) sur le graphe (bleu) du logarithme et vice versa. Comme b > 1, la fonction log_b est croissante et quand x tend vers $+\infty$ , log_b(x) tend vers $+\infty$ , tandis que lorsque x approche zéro, log_b(x) tend vers $-\infty$ . (Dans le cas où le réel a est strictement compris entre 0 et 1, la fonction log_a est décroissante et ces limites sont interverties.)

Fonctions logarithme courantes

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 »^[9], la première notation étant cependant encore couramment utilisée en théorie des nombres.

La base de la fonction logarithme népérien, notée e, est appelée nombre de Néper^[10] ou nombre d'Euler^[11]^,^[12].

Sa valeur approchée est :

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

Logarithme décimal

Article détaillé : logarithme décimal.

C’est le logarithme le plus pratique dans les calculs numériques manuels, 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 :

En base 10 :

log(10) = 1 car 10¹ = 10

log(100) = 2 car 10² = 100

log(1000) = 3 car 10³ = 1000

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 $\log(2) \approx 0{{,}}3$ .

On note la relation : $\log(x) = \frac {\ln(x)} {\ln(10)}$ (la fonction $\ln$ étant le logarithme népérien)

Logarithme binaire

Article détaillé : logarithme binaire.

L'ISO recommande de le noter lb ().

C’est le logarithme dont le calcul est le plus précis et le plus efficace en informatique, en relation avec la représentation virgule flottante binaire. En particulier,

Si x = 2ⁿ×m, alors lb(x)= n + lb(m).

Ainsi,

lb(100)= lb(64×1,5625)= lb(2⁶×1,5625 )= 6+lb(1,5625),

qui ramène le calcul à celui du logarithme binaire d'un nombre entre 1 (inclus) et 2 (exclus).

Il indique le nombre de bits nécessaires pour écrire un nombre. Plus précisément, si x est un entier et si [lb(x)]=N (où [..] représente la fonction partie entière), il faut N+1 bits pour coder le nombre x. Par exemple

lb(10)= 3,32..., et 19×lb(10) ≈ 63,12. C'est pourquoi une zone binaire de 64 bits ne peut contenir plus de 19 chiffres décimaux.

Ce logarithme est lié aux autres logarithmes, par :

ln(x) = lb(x)/lb(e) et log(x) = lb(x)/lb(10).

Cologarithme

Article détaillé : cologarithme.

Le cologarithme d'un nombre est le logarithme de l'inverse de ce nombre. C'est une notion courante en chimie pour l'opérateur pX (dont le pH).

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
1 2 Petite encyclopédie de mathématiques (p 72). Édition 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
↑ (en) James Stewart (en), Single Variable Calculus: Early Transcendentals, Belmont, Thomson Brooks/Cole,‎ 2007 (ISBN 978-0-495-01169-9, lire en ligne), section 1.6
↑ La norme AFNOR NF X 02-1 01, de 1961, recommande 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 avec divers autres « nombres d'Euler ».

Voir aussi

Lien externe

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

Portail de l’analyse

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