y=log⁡2xy = \log_2 x

対数関数 y=log⁡2xy = \log_2 x のグラフ

y=log⁡2xy = \log_2 x は底を 22 とする対数で、22 を何乗すると xx になるかを表します。たとえば 23=82^3 = 8 なので log⁡28=3\log_2 8 = 3 です。指数関数 y=2xy = 2^x の逆関数にあたります。

定義域と値域

真数 xx は正でなければならないので定義域は x>0x > 0、値域はすべての実数です。底が 11 より大きいので単調に増加し、0<x<10 < x < 1 では負の値をとります。

22 倍ごとに 11 増える

xxlog⁡2x\log_2 x
12\dfrac{1}{2}−1-1
1100
2211
4422
8833

xx が 22 倍になるごとに、値がちょうど 11 増えます。

増減と漸近線

x→0+x \to 0^{+} では −∞-\infty に発散し、yy 軸(x=0x = 0)が垂直漸近線になります。x→+∞x \to +\infty ではゆっくりと +∞+\infty へ増え続けます。導関数は次のようになります。

y′=1xln⁡2y' = \frac{1}{x \ln 2}

つねに正で、二階導関数は負なのでグラフは上に凸です。点 (1,0)(1, 0) での接線の傾きは y′(1)=1ln⁡2≈1.4427y'(1) = \dfrac{1}{\ln 2} \approx 1.4427 です。

指数関数との対称性

指数関数 2x2^x とは直線 y=xy = x に関して対称で、2x2^x が急上昇するのに対し log⁡2x\log_2 x はゆっくりとしか増えません。

底の変換

底の変換公式により、自然対数の定数倍で書けます。

log⁡2x=ln⁡xln⁡2≈1.4427ln⁡x\log_2 x = \frac{\ln x}{\ln 2} \approx 1.4427 \ln x

したがって ln⁡x\ln x や log⁡10x\log_{10} x とはグラフの縦の伸び縮みだけが違い、形はそっくりです。

応用

22 を底とする対数は情報科学でとくに重要です。

  • 情報量の単位ビットは log⁡2\log_2 で測られる
  • nn 個の選択肢を区別するのに必要なビット数は log⁡2n\log_2 n
  • 二分探索やマージソートの計算量は O(log⁡2n)O(\log_2 n)
  • 音楽の 11 オクターブ(周波数 22 倍)を測るときにも登場する

確率 pp の事象が起きたと知ったときの情報量は −log⁡2p-\log_2 p ビットで、これがシャノンのエントロピーの基礎になっています。