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La aproximación de los Registros y Antilogs a mano

He leído a través de preguntas como Calcular logaritmos con la mano y una sección de la Feynman de la serie de Conferencias que habla sobre el cálculo de logaritmos. He reconocido a ninguno de ellos útil para mi propósito, que es el cálculo rápido de los logaritmos de base $10$ hasta $4$ dígitos de precisión
(Creo que 4 es el número de ricitos de oro en este caso) .

Deseo encontrar cosas como $\log_{10}(2) \approx 0.3010$ rápidamente sin el uso de una calculadora o de registro de la tabla. Por qué? Porque quiero ser libre de los lleven de un lado y perder todo el día. Además, no están siempre disponibles cuando los necesito (se puede adivinar por qué). Mi principal propósito es aproximar las respuestas de muy grandes y muy pequeños los resultados de tiempo de consumo de los cálculos. Logaritmos hacer ese trabajo mucho más fácil para mí. Por ejemplo,

$$\frac{87539319}{1729} \approx 10^{7.942 - 3.237} = 10^{4.705} = 5.069*10^4$$

Según Wolfram (Sí, soy un vago) la respuesta es, $50630.0\overline{283400809716599190}$. Sí, he encima de lo estimado por alrededor de $60$, pero gracias a un registro de la tabla, yo hice eso aproximación tan rápido como se llevó a Wolfram para cargar la respuesta precisa en mi navegador. Pero, sin una tabla de registro, dividiendo sí me tendrían la ejecución de un proceso iterativo de convergencia para encontrar los múltiplos.
(1729*2 = muy bajo, 1729*8= demasiado alto ... esto debe ser tan intuitivo para la mayoría de ustedes)

Así, un rápido método de aproximación de los logaritmos sería muy útil para mí.


También, una buena manera de encontrar antilogs será bueno también. Me acabo de dar cuenta que no puedo calcular decimales de poderes. $$\Large 10^{0.3010} = 10^{0.3}*10^{0.001} = \sqrt[10]{1000} * \sqrt[1000]{10} = \text{Calculator Required}$$ He comprobado " Cómo calcular un decimal potencia de un número" pero, por desgracia, la cosa que vino más cercano a lo que yo necesitaba, se requiere una calculadora para un paso intermedio. Derrota el propósito, lo sé.
Si no puedo encontrar el antilog, el punto de tener una manera rápida de encontrar el logaritmo estaría perdido.

Espero que pueda ayudar.

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Justin Walgran Puntos 552

Para una rápida y sucia aproximaciones, soy aficionado a los musicales de los logaritmos (valoración crítica por Sanjoy Mahajan de trabajo debido a I. J. Good, quien acredita su padre). Esencialmente, esto se reduce a un hecho matemático:

  • $2^{10} \approx 10^3$, y tomando 120 raíces, $2^{1/12} \approx 10^{1/40}$.

y un "musical" hecho:

  • muchos de los números racionales con los pequeños numerador y el denominador se puede aproximar como los poderes de $2^{1/12}$.

Yo llamo a esto un "musical" de hecho, debido a las $2^{1/12}$ es la proporción de la frecuencia correspondiente a una (temperada) semitono.

Por ejemplo: $3/2$ es la proporción de la frecuencia correspondiente a la musical intervalo de un perfecto quinta, que es de siete semitonos; lo $3/2 \approx 2^{7/12} \approx 10^{7/40}$$\log_{10} 3/2 \approx 7/40$.

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Jean-Claude Arbaut Puntos 9403

Cuando usted quiere hacer los cálculos a mano, que son simplemente preguntando cómo construir una tabla de logaritmos.

Hay al menos dos maneras:

  • Computación $\sqrt{10}$, entonces la raíz cuadrada de la misma, etc. hasta que el resultado sea lo suficientemente pequeño como para hacer una aproximación. Que se describe en conferencia de Feynman.
  • Utilizando la serie, por ejemplo,$\ln (1+t)=t-\frac12t^2+\frac13t^3+\cdots$. Hay una manera de utilizar para calcular aproximaciones de $\ln k$$k\in\{2,3,5,7\}$. Con ellos se compute $\ln 10$ y su inversa, y te ayudará a calcular decimales de los registros de log natural. A continuación, mediante la aplicación de la serie de fracciones $\frac{n+1}{n}$, puede, paso a paso, calcular todos los logaritmos que usted necesita.

Me pueden dar algunos detalles más si es necesario.

La combinación de la serie para$\ln(1+t)$$\ln(1-t)$, se obtiene una serie con sólo impar de términos, por lo que es más rápido de usar.

También hay métodos para calcular los logaritmos de las funciones trigonométricas: fórmulas trigonométricas son muy útiles para simplificar muchos de los cálculos con logaritmos.

También hay mesas especiales, como una $20$ decimales uno en Hoüel tablas de logaritmos para calcular el registro o antilog de un número a $20$ decimales, con sólo una pequeña tabla (una página), con registros de números de $1+d\cdot10^k$.

Ahora, todo esto necesita una cantidad increíble de tiempo para construir una tabla de logaritmos, incluso si sólo se desea que los registros de los números de $100$ $1000$a cuatro decimales. Y no hay una manera sencilla para calcular sólo un logaritmo sólo con la mano. No son los de la serie anterior, el polinomio de aproximaciones, y probablemente de otras maneras, pero no tan fácil de utilizar como una tabla. Y los algoritmos utilizados por los equipos están lejos de ser utilizable por la mano.

Por lo tanto, si usted insiste en no usar una calculadora o una computadora, la cual entiendo perfectamente bien, todavía me pregunto por qué usted quiere hacer lo tomó décadas para los matemáticos del pasado para construir tablas confiables. Haciendo lo mismo sería un interesante lo intento, pero no puedo imaginar que es sólo para tener la tabla en la mano: entonces, ¿por qué no simplemente usar un conocido de la tabla, como las de Schrön, Callet o Dupuis, entre otros? Hacerlo usted mismo, y por sí solo, es la mejor manera de hacer muchos computacional errores a obtener un poco confiables de la tabla. Aviso de que hubo errores, incluso en la conocida tablas (he encontrado una fe de erratas para Schrön de la tabla, por ejemplo), y el paso de la verificación no es ciertamente el menos importante.

Aviso tablas antiguas todavía están disponibles como libros usados (las últimas fueron publicados en la década de los ochenta, y están en muy buenas condiciones, pero incluso antiguos desde el siglo 19, están en buena forma). Usted puede incluso encontrar las reglas de cálculo - incluso nuevo , ya he comprado varios en Faber-Castell del sitio, nunca abierto (muy viejo stock supongo). También hay muchos escaneada tablas en la red, y este agradable sitio.

Me gustaría desarrollar en cualquier parte, pero me gustaría entender lo que realmente quieres. Y aviso, si hubo un útil truco de la mano con ninguna tabla, ninguna regla de cálculo, y nada más que un lápiz y un papel, que habría sido utilizado en lugar de por el peso de las tablas :-) no Es por suerte o magia que eran tan comunes antes de la aparición de las calculadoras.


(demasiado largo para un comentario)

@Nick aquí Hay algo más que no la he leído en un primer momento: "liberarme de registro de tablas y calculadoras que no están a mi disposición durante los exámenes". Un examen sin ningún tipo de herramienta de computación que pediría cálculos sería... extraño. Pero no increíble, como me veía más o menos esta en Francia, en la prueba de química en la competencia de exámenes al final de las clases préparatoires. Si mal no recuerdo, sólo un pequeño (1/4 de una hoja) de la tabla de logaritmos fue dada para calcular los resultados numéricos. Lo creas o no, algunas escuelas todavía se permiten las reglas de cálculo para estos exámenes (y sólo hace un par de años, también las tablas de logaritmos, quiero decir, los "reales", no la de una hoja de sucedáneo). Dos ejemplos que conozco son las Minas-Ponts examen, y la École Polytechnique: todavía explícitamente en el examen de reglas a partir de 2014 los exámenes. Sin embargo, prácticamente ningún estudiante se viene para el examen con una regla de cálculo, y apuesto a que solo pocos saben lo que es, y mucho menos cómo utilizar de manera apropiada.

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user153012 Puntos 4406

Para dar una aproximación para, al menos, $4$ dígitos, en general, por un lado creo que es casi imposible. Si usted sabe algunos resultados de la teoría de la aproximación después de que usted puede apreciar el logaritmo de las tablas.

Por supuesto, la primera idea es la expansión de Taylor de algunos términos. Sabemos que para $|x| \leq 1$ $x \neq -1$ la serie para $\ln(1+x)$ es la siguiente. $$ \ln(1+x)=\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n+1}}{n} x^n = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \cdots $$ Usted puede "ejecutar" de la mano de $n=1 \dots 3$ $\ln(2)$ obtener $0.8333333333$. El valor correcto para $\ln(2)$$0.6931471806$. Así que el problema está detrás de la tasa de convergencia. También hay importent restricciones de dominio para este método.

Para las pequeñas $x$ valores también sabemos que $\log(x) \approx \frac{x^x-1}{x}$$\log(1+x) \approx x$. Lo que tampoco es una buena aproximación pero que se puede utilizar para los valores de menos de $1$. Con logaritmo identitiy-trucos que usted puede hacer que sea más precisa, pero tenemos las mejores soluciones.

Ahora echa un vistazo a las desigualdades. Tenemos que para todos los $x>0$: $$1-\frac{1}{x} \leq \ln x \leq x-1.$$ O se puede escribir de la forma para todos los $x>-1$: $$\frac{x}{1+x} \leq \ln(1+x) \leq x.$$

Sabemos que otras desigualdades, y creo que es un buen enfoque a mano, así que permítanme presentarles a Henri Padé y su Padé approximant. Con este método se pueden dar límites inferior y superior para una función con funciones racionales. Vamos a llamar límite inferior $\phi_n$ y superior de $\psi_n$, y aquí $n$ es el orden de la aproximación. Usted puede leer acerca de aproximar $\ln(1+x)$ con este método en este muy buen papel, o en este sitio web. Así tenemos $$\phi_n(x) \leq \ln(1+x) \leq \psi_n(x)$$ para$x \in [0,\infty[$, y para cada una de las $n$.

Vamos a tomar el fin de $n=3$, porque creo que esta dos racional funcion es lo que se puede manejar con la mano. Si usted es bueno en cálculo mental y puede memorizar funciones fácilmente, usted puede tomar órdenes superiores del papel he referido anteriormente. Así que para el límite inferior $\phi_3$ tenemos $$\phi_3(x)=\frac{x(60+60x+11x^2)}{3(20+30x+12x^2+x^3)},$$ y para el límite superior $\psi_3$ tenemos $$\psi_3(x)=\frac{x(30+21x+x^2)}{3(10+12x+3x^2)}.$$

A evaulate esta dos funciones con la mano sólo necesita sumar, multiplicar, dividir, y tomar potencia entera de un número.

A ver cómo accuare este método a dar algunos resultados.

  • $\phi_3(1) = 0.6931216931 \leq \ln(2) = 0.6931471806 \leq 0.6933333333 = \psi_3(1),$
  • $\phi_3(2) = 1.098039216 \leq \ln(3) = 1.098612289 \leq 1.101449275 = \psi_3(2),$
  • $\phi_3(3) = 1.383673469 \leq \ln(4) = 1.386294361 \leq 1.397260274 = \psi_3(3),$
  • $\phi_3(4) = 1.602693603 \leq \ln(5) = 1.609437912 \leq 1.635220126 = \psi_3(4),$
  • $\phi_3(9) = 2.246609744 \leq \ln(10) = 2.302585093 \leq 2.493074792 = \psi_3(9),$
  • $\phi_3(50) = 3.254110231 \leq \ln(51) = 3.931825633 \leq 7.357172215 = \psi_3(50).$

Por supuesto, porque el método funciona para los más pequeños de $x$ valores mejor, si usted tiene un gran $x$, entonces usted podría combinar Padé approximant con logarítmica identidades. Por ejemplo, $51$ tiene factores primos $3$ $17$ , debido a que podemos escribir $\ln(51)$ en la forma$\ln(51)=\ln(3)+\ln(17)$, por lo que $$\phi_3(50) \leq \phi_3(2)+\phi_3(16) = 3.766096945 \leq \ln(51)$$ es una mejor cota inferior, y $$\ln(51) \leq \psi_3(2)+\psi_3(16) = 4.521380547 \leq \psi_3(50)$$ es una mejor cota superior.

Este es también un buen método para conseguir la aproximación de $\log_b(x)$. Por ejemplo, para $\log_{10}(2) = \ln(2) / \ln(10) = 0.3010299957$ podemos decir que es en algún lugar entre el$\psi_3(1) / \psi_3(9) = 0.2781037037$$\phi_3(1) / \phi_3(9) = 0.3085189562$.

Y por último, si usted consigue una $n=5$ fin de Padé approximant y el uso de identidades logarítmicas, a continuación, se obtiene la siguiente aproximación para$\log_{10}(2)$$\phi_5$.

$$\frac{\phi_5(1)}{\phi_5(1)+\phi_5(4)} = 0.3010494871,$$

que es correcto para el primer $4$ dígitos.

Usted puede aproximada de la función exponencial con este método también. Leer sobre esto en papel, o en este MathOverflow respuesta!

2voto

vonbrand Puntos 15673

Jacques Laporte tiene una página explicando algunos de los algoritmos que trabajan dígito por dígito. Para otras funciones (por ejemplo, trigonométricas e hiperbólicas) no es la clase de CORDIC algoritmos. Este tipo de algoritmos se utilizaron en las primeras calculadoras HP, ya que necesita muy modesto hardware.

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