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English

対数関数のグラフと性質〜指数関数を y = x で折り返した形

の値を並べると、 倍になるたびに ずつ増えます。

左の列はかけ算で進み、右の列は足し算で進む。この対応が対数関数のすべてです。

という法則も、表を横に読んだだけの内容になります[4]

指数関数を裏返した形

は「 を何乗すると になるか」を答える関数です。 と同じ内容を、 について書き直したもの[3]

の役割を入れかえただけなので、グラフは直線 に関して と対称になります。

上にあれば、 上にある。座標を入れかえるだけで移れます。

片方のグラフが描けていれば、もう片方は折り返しで描けます。

指数関数が縦軸で になる点は、対数関数では横軸の にあたります。

通る点は

から 。底が何であっても を通ります[1]

から なので も通る。ここに底そのものが現れます。

グラフから底を読むときは、 の高さで横座標を見ればよい。 を通るなら底は です。

軸との交点はありません。 が定義域の外にあるためです。

定義域が正の数だけになる理由

を求めるとは、 となる を探すことです。 はいつでも正なので、そんな は存在しません。

も同じ。 になる はありません。 を下げるといくらでも に近づきますが、届かない。

だから定義域は 、値域は実数全体になります[3]。指数関数と定義域・値域がちょうど入れかわった形です。

のような式では、中身が正になる範囲を先に出します。 から [1]

真数条件と呼ばれるこの手順は、定義域を書き出す作業そのもの。方程式や不等式でも最初に置きます。

底で向きが決まる

のとき

右上がり。 を大きくすると値も大きくなり、 に近づけると下へ落ちていく

のとき

右下がり。 を大きくすると値は下がり、 に近づけると上へ伸びる

底が より小さい場合は、 と書き直せます。 軸に関する折り返しです。

軸が漸近線になる点は、どちらの底でも変わりません[1] へ近づけると値は限りなく下か上へ離れていきます。

横に 倍するのは、縦に 足すのと同じ

を考えます。積の法則から [4]

横に 縮める操作と、縦に 持ち上げる操作が、同じ 1 本のグラフに着きます。

指数関数では縦の拡大が横の移動と同じでした。対数関数ではその逆で、横の拡大が縦の移動になる。

逆関数どうしなので、縦と横の役割がここでも入れかわっています。

どんなべきよりも増え方が遅い

倍になると 倍になります。対数はそれよりさらに遅い。

どんなに小さい正のべきが相手でも、対数はいずれ追い越されます[2] でも同じ。

なので、 より少し小さい値です。 はその 2 倍で 弱。 倍になっても、値は しか増えません。

この鈍さがあるので、桁数の大きく違う量を同じ図に置けます。地震の規模や音の強さで対数が使われる理由もここ。

底を変えると縦に伸び縮みする

は別の関数ですが、形は似ています。底の変換公式で並べると理由が見えます[4]

を縦に 倍した曲線でした。 なら 倍です。

底が より大きい対数関数は、どれも同じ 1 本を縦に伸び縮みさせた形になる。通る点 が動かないので、 軸上の一点を留めたまま上下に縮む形です。

底が より小さいときは倍率が負になり、 軸で裏返ります。 がその場合。

例:グラフから式を読む

漸近線が で、 を通るグラフの式を求めます。

漸近線の位置から の形だと分かる。 を入れると から です。

残りは から より となり、式は

読む順番は、漸近線、 切片、もう 1 点。この 3 つで底と移動量が決まります。

平行移動と漸近線

は、 方向に 方向に だけ動かしたグラフです。

横に動かすと漸近線もついていきます。 だった漸近線が へ移り、定義域は になる[1]

縦の移動では漸近線が動きません。 軸との位置関係が変わらないためです。

なら漸近線は 、定義域は のとき です。

指数関数では縦の移動が漸近線を動かしました。対数関数では横の移動が動かす。ここでも役割が入れかわります。

の漸近線と定義域はどれですか。

  • 漸近線 、定義域
  • 漸近線 、定義域
  • 漸近線 、定義域は実数全体
__RESULT__

中身が正になる範囲が定義域なので、 から です。漸近線は横へ 動いて になり、縦の では動きません。

をどう動かしたグラフですか。

  • 下へ
  • 上へ
  • 右へ
__RESULT__

です。中身を 倍する操作が、グラフでは上への平行移動になります。

かけ算が足し算に変わる。対数関数の性質は、この一行から順に引き出せます。

参考文献

Graphs of Logarithmic Functions. College Algebra 2e, OpenStax.
Croissances comparées. Université en ligne, UNISCIEL.
Logarithmic function. Encyclopedia of Mathematics.
Rechnen mit Logarithmus. Serlo Education.
$\log_{2} x$ の表は、左の列が掛け算で進み、右の列が足し算で進みます。$\log_{a}(xy) = \log_{a} x + \log_{a} y$ は、その表を横に読んだだけの内容。指数関数を $y = x$ で折り返した形なので、定義域と値域が入れかわり、$(1, 0)$ と $(a, 1)$ を通って $y$ 軸が漸近線になります。指数関数では縦の拡大が横の移動と同じでしたが、対数関数では横の拡大が縦の移動になる。底を変えると縦に伸び縮みすること、$\sqrt{x}$ よりも増え方が遅いこと、グラフから底と移動量を読む手順まで。