Matemática
Um Pouco Sobre Logaritmos e Suas Propriedades Operatórias
Na antiguidade, os babilônios foram os que mais se interessaram pela Astronomia e durante séculos enfrentaram problemas com os cálculos que eram muito trabalhosos.
Os logaritmos surgiram para simplificar cálculos, já que transformam multiplicação em soma e divisão em subtração, dando um salto na Matemática e na Astronomia.
O termo logaritmo foi criado por Napier, que vem de logos e arithmos, que significam razão e número, respectivamente, e aparece em sua obra de $1614$ Mirifice Logarithmorum Canonis Descriptio (uma descrição das maravilhas dos logaritmos).
Contudo, acredita-se que foi a publicação do livro Arithmetica Integra, do matemático alemão Michael Stifel, em $1544$, que inspirou o trabalho de Napier e Bürgi. Em seu livro, Stifel comparou as seguintes sequências numéricas:
Com base nessas sequências, para calcular, por exemplo, $16 \times 64$, bastava somar os números correspondentes a $16$ e a $64$ na linha de cima. O número $16$ na linha de baixo corresponde a $4$ na linha de cima; o número $64$ na linha de baixo, corresponde a $6$ na linha de cima. Basta somar $4+6=10$. O resultado desta multiplicação é o número correspondente a $10$ na linha de baixo, ou seja $1024$. Assim, $16 \times 64=1024$.
A publicação teve sucesso imediato e Napier, juntamente com o entusiasta e professor de Oxford Henry Brigs, concordaram em adotar o uso de potências de dez.
Na mesma época, Jobst Bürgi obteve resultados semelhantes, mas de forma independente. Na verdade, talvez Bürgi já tivesse sua teoria em $1588$, mas sua publicação só veio em $1620$.
Para maiores informações sobre o desenvolvimento dos logaritmos, sugiro a leitura dos artigos abaixo citados:
• Os logaritmos segundo Napier
• Stifel, Bürgi e a criação dos logaritmos
• A construção da primeira tábua de logaritmos decimais por Briggs
LogaritmoDefinição: Sejam dois números reais positivos $a$ e $b$. Chama-se logaritmo de $b$ na base $a$ o expoente que se deve dar à base $a$ de modo que a potência obtida seja igual a $b$.
$$\log_a b=x \Leftrightarrow a^x=b$$
onde $a$ e $b \in \mathbb{R}$, $0<a \neq 1$ e $b>0$.
No logaritmo dado acima, temos que $a$ é a base do logaritmo, $b$ é o logaritmando e $x$ é o logaritmo.
Exemplo $1$: Calcular os logaritmos dados:
$a) \log_2 8 \Rightarrow \log_2 8=x \Rightarrow 2^x=8 \Rightarrow 2^x=2^3\Rightarrow x=3$
$b)\log_3 3 \Rightarrow \log_3 3=x \Rightarrow 3^x=3 \Rightarrow x=1$
$c)\log_4 1 \Rightarrow \log_4 1=x \Rightarrow 4^x=1 \Rightarrow x=0$
$d)\log_4 8 \Rightarrow \log_4 8=x \Rightarrow 4^x=8 \Rightarrow 2^{2x}=2^3 \Rightarrow 2x=3 \Rightarrow x= 3/2$
$e)\log_{1/4}32 \Rightarrow \log_{1/4}32=x \Rightarrow \displaystyle \left( \frac{1}{4}\right)^x=2^5 \Rightarrow 2^{-2x}=2^5 \Rightarrow -2x=5 \Rightarrow x = -5/2$
Antilogaritmo
Definição: Sejam dois números reais positivos $a$ e $b$, com $a \neq 1$. Se o logaritmo de $b$ na base $a$ é $x$, então $b$ é o antilogaritmo de $x$ na base $a$.
$$\log_a b=x \Leftrightarrow anti\log_a x = b$$
Antilogaritmo é o nome adotado na representação de tabelas de logaritmos com significado equivalente à exponenciação e é usado para mostrar o inverso de um logaritmo. Por exemplo, o logaritmo de $8$ na base $2$ é $3$ e o antilogaritmo de $3$ na base $2$ é $8$.
Exemplo $2$:$a) anti\log_2 8=x \Rightarrow \log_2 x=8 \Rightarrow 2^8=x \Rightarrow x=256$
$b) anti\log_3 3=x \Rightarrow \log_3 x=3 \Rightarrow 3^3=x \Rightarrow x=27$
Algumas Consequências da Definição de Logaritmos$1-$ O logaritmo de $1$ em qualquer base é igual a zero.
$$\log_a 1=0$$
Pois $a^0=1$, sendo $a > 0$
$2-$ O logaritmo da base em qualquer base é igual a 1.
$$\log_a a=1$$
Pois $a^1=a, \forall a > 0$.
$3-$ A potência de base $a$ e expoente $\log_a b$ é igual a $b$.
$$a^{\log_a b}=b$$
Fazemos $ \log_a b=x$, então:
$$a^x=b$$
Mas $x=\log_a b$, logo:
$$a^{\log_a b}=b$$
A justificativa desta propriedade se dá pelo fato e que o logaritmo de $b$ na base $a$ é o expoente que se deve dar à base $a$ para a potência obtida ser igual a $b$.
$4-$ Dois logaritmos de mesma base são iguais se, e somente se, os logaritmos são iguais.
$$\log_a b=\log_a c \Leftrightarrow b=c$$
Seja $\log_a b =\log_a c$. Pela definição de logaritmo, temos que:
$$a^{\log_a c}=b$$
e pela terceira consequência vem que $c=b$.
Exemplo $3$: Calcular os valores de:
$a) 8^{\log_2 5} = (2^3)^{\log_2 5}=\left(2^{\log_2 5}\right)^3=5^3=125$
$b) 3^{1+\log_3 4}=3^1\cdot 3^{\log_3 4}=3\cdot 4=12$
Propriedades Operatórias dos LogaritmosOs logaritmos possuem diversas aplicações no cotidiano, seja em Matemática, Física, Química, Geologia, etc., aparecendo em fenômenos naturais, tais como terremotos, acidez do sangue, audição humana, ... O que faz dos logaritmos tão importantes são suas propriedades operatórias que torna vantajoso o seu uso em cálculos.
Logaritmo do ProdutoEm qualquer base $a$, $0<a \neq 1$, o logaritmo do produto de dois fatores reais positivos é igual à soma dos logaritmos dos fatores.
$$\log_a(b \cdot c)=\log_a b+\log_a c$$
Sendo $0<a \neq 1$, $b>0$ e $c>0$.
Sejam $\log_a b=x$, $\log_a c=y$ e $\log_a (b\cdot c)=z$. Devemos provar que $z=x+y$. De fato:
$ \log_a b=x \Rightarrow a^x=b$
$ \log_a c=y \Rightarrow a^y=c$
$ \log_a(b\cdot c)=z \Rightarrow a^z=b\cdot c$
Desta última, temos que:
$$a^z=b\cdot c\Rightarrow a^z=a^x \cdot a^y \Rightarrow a^z=a^{x+y} \Rightarrow z=x+y$$
Aqui usamos a propriedade fundamental das potências. Vejamos um exemplo:
Exemplo $4$: Calcular o logaritmo:
$$\log_2(4\cdot 8)=z \Rightarrow \log_2(2^2\cdot 2^3)=z \Rightarrow \log_2 2^{2+3}=z \Rightarrow \log_2 2^5=z \Rightarrow 2^z=2^5 \Rightarrow z=5$$
Por outro lado:
$$\log_2(4\cdot 8)=\log_2 4+ \log_2 8=\log_2 2^2 + \log_2 2^3$$
Daqui temos que $2^x=2^2 \Rightarrow x=2$ e $2^y=2^3 \Rightarrow y=3$, de modo que $\log_2(4\cdot 8)=z=x+y=2+3=5$.
Logaritmo do QuocienteEm qualquer base $a$, $0<a \neq 1$, o logaritmo do quociente de dois números reais positivos é igual à diferença entre o logaritmo do dividendo e o logaritmo do divisor.
$$\log_a \left(\frac{b}{c}\right)=\log_a b-\log_a c$$
Sendo $0<1 \neq 1$, $b>0$ e $c>0$.
Sejam $\log_a b=x$, $\log_a c=y$ e $\displaystyle \log_a \left(\frac{b}{c}\right)=z$. Devemos provar que $z=x-y$. De fato:
$\log_a b=x \Rightarrow a^x=b$
$\log_a c=y \Rightarrow a^y=c$
$\displaystyle \log_a \left(\frac{b}{c}\right)=z \Rightarrow a^z=\frac{b}{c}$
Desta última, temos que:
$$a^z=\frac{a^x}{a^y} \Rightarrow a^z=a^{x-y} \Rightarrow z=x-y$$
Usamos novamente a propriedade fundamental das potências.
Exemplo $5$: Calcular o logaritmo usando a propriedade do quociente:
$$\log_2 \left(\frac{16}{4}\right)=\log_2\left(\frac{2^4}{2^2}\right)=\log_2 2^{4-2}=\log_2 2^2$$
Segue que $2^z=2^2 \Rightarrow z=2$. Logo, $\displaystyle \log_2\left(\frac{16}{4}\right)=2$.
CologaritmoChama-se cologaritmo de um número $c$, sendo $c \in \mathbb{R}$ e $c > 0$, numa base $a$, sendo $a \in \mathbb{R}$ e $0 < a \neq 1$, ao oposto do logaritmo de $c$ na base $a$.
$$co\log_a c=-\log_a c$$
Sendo $0<a\neq 1$ e $b>0$.
Do logaritmo do quociente, temos: $\displaystyle \log_a \left(\frac{b}{c}\right)$, se fizermos $b=1$, obtemos:
$$\log_a\left(\frac{1}{c}\right)=\log_a 1-\log_a c=0 - \log_a c = -\log_a c$$
Desta forma:
$$co\log_a c=-\log_a c=\log_a \left(\frac{1}{c}\right)$$
Logaritmo da PotênciaEm qualquer base $a$, sendo $0<a\neq 1$, o logaritmo de uma potência de base real positiva e expoente real é igual ao produto do expoente pelo logaritmo da base da potência.
$$\log_a b^N=N\cdot \log_a b$$
Sendo $0<a\neq 1$, $b>0$ e $N \in \mathbb{R}$.
Sejam $\log_a b=x$ e $\log_a b^N=y$. Devemos provar que $y=N \cdot x$. De fato:
$\log_a b=x \Rightarrow a^x=b$
$\log_a b^N=y \Rightarrow a^y=b^N$
Desta última, temos:
$$a^y=b^N\Rightarrow a^y=(a^x)^N \Rightarrow y=N \cdot x$$
Um corolário desta propriedade é que para qualquer base $a$, $0<a \neq 1$, o logaritmo da raiz enésima de um número real positivo é igual ao produto do inverso do índice da raiz pelo logaritmo do radicando.
$$\log_a \sqrt[N]{b} = \log_a b^{1/N}=\frac{1}{N}\log_a b$$
Sendo $0<a \neq 1$, $b>0$ e $N \in \mathbb{N}^*$$
Exemplo $6$:$$\log_5 27=\log_5 3^3 = 3 \log_5 3$$
Mudança de Base
Para aplicarmos as propriedades operatórias, os logaritmos envolvidos devem estar numa mesma base. Se tivermos que usar uma tábua de logaritmos, teremos que converter o logaritmo para a base decimal para somente depois procurarmos o valor na tabela.
Outro caso é calcular um logaritmo utilizando uma calculadora científica. O logaritmo deve estar numa base decimal $(\log)$ ou base neperiana $(\ln)$.
Sejam $a$, $b$ e $c$ números reais positivos e $a$ e $c$ diferentes de $1$. Vale a relação:
$$\log_a b=\frac{\log_c b}{\log_c a}$$
Seja $\log_a b=x$, $\log _c b=y$ e $\log_c a=z$, com $z \neq 0$, pois $a \neq 1$. Devemos provar que $\displaystyle x=\frac{y}{z}$. De fato:
$\log_a b=x \Rightarrow a^x=b$
$\log_c b=y \Rightarrow c^y=b$
$\log_c a=z \Rightarrow c^z=a$
Substituindo a terceira e a segunda na primeira equação, obtemos:
$$a^x=b \Rightarrow (c^z)^x=c^y \Rightarrow c^{zx}=c^y \Rightarrow zx=y \Rightarrow x=\frac{y}{z}$$
Exemplo $7$$a)$ Converter $\log_3 5$ para base $2$.
$$\log_3 5=\frac{\log_2 5}{\log_2 3}$$
$b)$ Converter $\log_2 7$ para base decimal.
$$\log_2 7=\frac{\log 7}{\log 2}$$
Para finalizar esta breve introdução às propriedades operatórias dos logaritmos, deixo uma lista de exercícios para treinar o que vimos até aqui.
Exercícios$1 -$ Calcular pela definição, os seguintes logaritmos:
$a) \log_5 125 \qquad b) \log_4 128 \qquad c) \log_{1/9} 3\sqrt{3}$
$2 -$ Calcular:
$a)$ O número cujo logaritmo em base $3$ vale $-2$.
$b)$ A base no qual o logaritmo de $32$ vale $10$.
$c)$ Cinco elevado a $\log_5 7$.
$d)$ $3^{\log_3 2}+2^{\log_2 3}$
$3 -$ Sabendo que $\log_b x=3$ e $\log_b y=-4$, calcule:
$\displaystyle a) \log_b (x^2\cdot y) \qquad b) \log_b \left(\frac{x^4}{\sqrt[3]{4}}\right)$
$4 -$ Desenvolva os logaritmos supondo $a$, $b$ e $c$ reais positivos:
$\displaystyle a) \log_5 \left(\frac{5a}{bc} \right) \qquad b) \log\left(\frac{b^2}{10a}\right)$
$\displaystyle c) \log_3 \left(\frac{ab^2}{c} \right) \qquad d) \log_2 \left( \frac{8a}{b^3c^2} \right)$
$5 -$ Calcular as expressões:
$a) \log_{15} 3+\log_{15} 5$
$b) \log_3 72 - \log_3 12 - \log_3 2$
$c) \displaystyle \frac{1}{3} \log_{15} 8 + 2\log_{15} 2 + \log_{15} 5 - \log_{15} 9.000$
$6 -$ Sabendo que $\log_{30} 3 = a$ e $\log_{30} 5 = b$, calcular $\log 2$.
$7 -$ Se $a$, $b$ e $c$ são reais positivos, provar a igualdade abaixo:
$$\left(\frac{a}{b}\right)^{\log c} \cdot \left(\frac{b}{c}\right)^{\log a} \cdot \left(\frac{c}{a}\right)^{\log b}=1$$
$8 -$ Um modelo da perda $L$ de propagação de sinais ente a antena transmissora e a receptora em espaço livre de obstáculos é, em decibel, expressa por:
$$L=32,44 + 20\log f + 20\log d$$
onde $f$ é a frequência em $MHz$ e $d$ é a distância entre as antenas de transmissão e recepção em quilômetros. Considere um sinal de radiofrequência de $600MHz$ enviado por uma estação base para uma antena receptora localizada a $20Km$ de distância. Calcule a perda de propagação desse sinal em $dB$, considerando que $\log2=0,30$ e $\log3=0,48$.
Referências:[1] Fundamentos de Matemática Elementar - Logaritmos
[2] Matemática, Ciência e Aplicações V1 - Gelson Iezzi et al
[3] Matemática, Contexto e Aplicações V1 - Dante
Veja mais:Logaritmos: Os Sons e a Audição Humana
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