对数——精妙的计算工具

来源: 《科学世界》

发布日期: 2013-10-25 12:36:38

对数是一种用以简化复杂计算的数学工具,诞生于16世纪末,至今仍在科学计算中发挥重要作用。它通过计算一个数反复自乘的次数来简化大数字的运算,是科学发展的基础。

现实生活中,会经常出现“同一个数字反复自乘”的情景,例如“2×2×2”(2的3次幂)、“10×10×10×10×10”(10的5次幂)等。“同一个数字反复自乘的次数”在数学上称为“指数”。作为本文题目的“对数”,是用“log”符号表示的一种数学工具。例如“10反复自乘,当其结果为1000时,自乘的次数是多少?”这就是对数要考虑的范畴。

这时,将这个次数(对数)用log101000来表示,那么,log101000=3。对数从基本观点上来看,也不过如此,它本身一点也不复杂。但是,它的“威力”却绝对强大。

“对数”作为一种简化计算的工具,诞生于16世纪末。即便是2的29次幂这么费劲的计算,利用对数都可以在瞬间得到答案。在没有电子计算机的时代,对数是科学发展的基础。时至今日,对数还在自然科学的各种场景中出现,除了作为计算工具之外,它还支撑着我们的现实生活。让我们从对数的基本定义出发,进入它那深渊般世界的入口,开始我们的探险吧。

对数进入人们的研究视线是在1594年。当时是所谓的“大航海时代”,需要测量船只在海上的位置等等,大数字计算的需求增多。当时也是对行星进行详细观测,从地心说转变为日心说的时代,计算行星的轨道等等也是需要进行复杂计算的。所以,“尽可能地简化计算”也是时代的需求。在这个时代背景下,英国的数学家约翰·纳皮尔(John Napier,1550~1617)研究了将对数作为计算工具。

为了理解对数,先回忆一下“倍乘米粒”的故事。比如说,第4天得到几粒米呢?从第一天的1粒开始,第2天、第3天、第4天是2倍的3次重复,所以是23(2的3次幂),等于8粒。这就是“指数”的计算。那么反过来问,得到8粒米时是第几天呢?这就是“对数”的计算。因为米粒是以2的不断自乘方式增加的,就变成了2自乘几次之后变成8,再加上不乘2的第1天,结果就是3+1=4,第4天。

对数和指数本质上是一样的,只是视角不同而已。像这样一个数反复自乘之后得到另外一个数的情况,反复乘的次数称作“对数”。例如:求2自乘几次得到32时,对数是5(32=25)。例如:求2自乘几次得到536870912时,对数是29(536870912=229)。由于我们在本文开头将“同一个数反复自乘的次数”称作“指数”。另外刚刚又说对数是“(某个指定的数)反复自乘的次数”。那么,指数和对数有什么区别呢?

实际上,指数和对数都是“反复自乘的次数”,在这个意义上两者是相同的。但是,两者的视角(因果关系)是不同的。指数是乘数和反复自乘的次数已知的情况下使用的概念,而对数是乘数和反复自乘后的结果已知、但反复自乘的次数未知时使用的概念。

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