取对数的作用：压缩数值、变非线性为线性

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取对数的作用：压缩数值、变非线性为线性

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https://zhaokaifeng.com/22473/

在数学的世界里，对数是一个神奇的工具。它不仅能将巨大的数字压缩到更易处理的范围，还能将复杂的非线性关系转化为简单的线性关系。本文将带你走进对数的世界，揭示这个数学工具的奥秘。

图 01. 朱诺号木星探测器携带物品之一：意大利太空署提供的伽利略铝质纪念牌（宽 2.8 英寸，高 2 英寸，重 6 克）。该纪念碑镌刻有伽利略的自画像，以及他于 1610 年发现木星卫星的亲笔记录字迹。来源：wikipedia.org

意大利物理学家、数学家和天文学家伽利略曾经说过：“给我空间、时间及对数，我就可以创造一个宇宙。”这句话道出了对数在数学和科学中的重要地位。在我们学习数学或者使用数学的时候，也常常会遇到“对数”。但是，取对数到底有什么用呢？让我们一起来揭开对数的“神秘”面纱。

压缩数值

图 02. 通过对数函数 $y = \ln x$, 可以将相距较大的两个数字 $A$ 和 $B$ 转换为相距较小的数字 $a$ 和 $b$, 并且，当 $A$ 和 $B$ 的值越大的时候，转换得到的 $a$ 和 $b$ 的值差距越小。

对数的其中一个作用就是可以“压缩”数值，或者说，对数可以反应较大数字的“量级”。例如，对于数字 $123456$ 和 $654321$ 是两个相差特别大的数字，如果要比较这样的数字的大小，或者将其绘制在坐标图上，都不是很好表示，但如果我们对其取对数，就可以在减少这样的差异，并且不改变原有的大小关系（因为对数函数是一个单调递增的函数，可以保留原有的相对大小关系）：

$$
\log_{10}^{123456} \simeq 5.0915
$$

$$
\log_{10}^{654321} \simeq 5.8158
$$

在上面做数值压缩的过程中，我们使用的是底数为 $10$ 的“常用对数”，因为常用的数字就是十进制的，用底数为 $10$ 的对数可以很方便的显示出原有数字的量级（一个“量级”就是十进制的一个“位”，即千位、百位和十位等），例如：

$$
\log_{10}^{6 \times 10^{\textcolor{springgreen}{8}}} \simeq \textcolor{springgreen}{8}.7782
$$

$$
\log_{10}^{9 \times 10^{\textcolor{springgreen}{8}}} \simeq \textcolor{springgreen}{8}.9542
$$

$$
\log_{10}^{2 \times 10^{\textcolor{orangered}{9}}} \simeq \textcolor{orangered}{9}.3010
$$

当然，用其他底数也可以大致反映出不同十进制数字的相对大小，但不能反映出十进制数字原本的量级：

$$
\log_{\mathrm{e}}^{6 \times 10^{\textcolor{pink}{8}}} \simeq \textcolor{tan}{20}.2124
$$

$$
\log_{\mathrm{e}}^{9 \times 10^{\textcolor{pink}{8}}} \simeq \textcolor{tan}{20}.6179
$$

$$
\log_{\mathrm{e}}^{2 \times 10^{\textcolor{pink}{9}}} \simeq \textcolor{tan}{21}.4164
$$

在实际应用中，至少下面的数值或者表示方法都使用了对数：

⁕ 里氏地震震级（用于描述地震烈度）
⁕ 分贝（用于音量）
⁕ 奈培（用于电功率）
⁕ 音分、小二度、全音及纯八度等（用于音乐中的相对音高）
⁕ Logit（用于统计学的发生比）
⁕ 巴勒莫撞击危险指数（用于表示近地天体撞击地球的危险几率）
⁕ 对数时间线
⁕ 焦比（用于计算摄影中的曝光量）
⁕ 熵（用于热力学）
⁕ 信息（用于信息论）
⁕ 土壤的颗粒尺寸分布的曲线
⁕ 对数星图（用于表示星体之间的相对位置）
⁕ 能量密度（用于铀和化石燃料能量密度的比较）
⁕ pH 值（用于表示酸性）
⁕ 视星（用于表示恒星亮度）
⁕ 克伦宾尺度（用于地质学中表示粒径）
⁕ 吸光度（用于描述物体的透光性能）