電験三種 数学基礎 | 対数解説

目次

重要ポイント

対数 常用対数 自然対数 電験数学

ようこそ!このページでは、電気系資格試験に出てくる数学の基礎をわかりやすく解説していきます!特に対数の計算は試験でよく出るので、しっかり押さえておきましょう!

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このページのポイント

対数の基本から応用まで、電気系資格試験でよく出る計算方法を詳しく解説します。

1.対数とは

対数(たいすう)とは、ある数をある底(てい)で何乗すれば目的の数になるかを表す値です。例えば、\(2^3 = 8\) のとき、「8の2を底とする対数は3」と言い、\(\log_2 8 = 3\) と表記します。

対数には主に以下のような特徴があります:

  • 指数の逆演算:対数は指数の逆演算で、\(a^x = b\) のとき \(\log_a b = x\) となります
  • 常用対数と自然対数:底が10の対数を常用対数(\(\log_{10}\)または単に\(\log\))、底がeの対数を自然対数(\(\log_e\)または\(\ln\))と呼びます
  • スケール変換:桁数の大きく異なる値の比較や表現に便利です(例:デシベル)
  • 電気工学での利用:信号強度、周波数応答、減衰などの計算でよく使われます

2.詳細な計算方法

基本的な性質

対数の基本的な性質を理解しましょう。

まず、対数の定義から導かれる重要な性質:

\(\log_a a = 1\) (任意の数の底が自分自身の対数は1)
\(\log_a 1 = 0\) (任意の底に対して1の対数は0)
例を見てみましょう:
  • \(\log_{10} 10 = 1\)
  • \(\log_2 1 = 0\)
  • \(\log_2 8 = 3\)(\(2^3 = 8\) だから)
  • \(\log_{10} 100 = 2\)(\(10^2 = 100\) だから)

対数は指数と密接に関連しています。対数の理解には指数法則の知識が役立ちます。

対数の和と差

対数には積と商を和と差に変換する重要な性質があります。

積の対数:

\(\log_a (m \times n) = \log_a m + \log_a n\)
例:
  • \(\log_{10} (100 \times 1000) = \log_{10} 100 + \log_{10} 1000 = 2 + 3 = 5\)
  • \(\log_2 (8 \times 4) = \log_2 8 + \log_2 4 = 3 + 2 = 5\)

商の対数:

\(\log_a \left(\frac{m}{n}\right) = \log_a m - \log_a n\)
例:
  • \(\log_{10} \left(\frac{1000}{10}\right) = \log_{10} 1000 - \log_{10} 10 = 3 - 1 = 2\)
  • \(\log_2 \left(\frac{8}{2}\right) = \log_2 8 - \log_2 2 = 3 - 1 = 2\)

対数の積と商

べき乗の対数に関する性質も重要です。

べき乗の対数:

\(\log_a (m^n) = n \times \log_a m\)
例を見てみましょう:
  • \(\log_{10} (100^2) = 2 \times \log_{10} 100 = 2 \times 2 = 4\)
  • \(\log_2 (4^3) = 3 \times \log_2 4 = 3 \times 2 = 6\)

これらの性質を使うと、複雑な計算も簡単になります。例えば:

複合例:
  • \(\log_{10} \left(\frac{100 \times 1000}{10}\right) = \log_{10} (100 \times 1000) - \log_{10} 10\)
  • \(= \log_{10} 100 + \log_{10} 1000 - \log_{10} 10 = 2 + 3 - 1 = 4\)

底の変換と常用対数

底の変換公式

\(\log_a b = \frac{\log_c b}{\log_c a}\)

この公式を使うと、異なる底の対数に変換できます:

  • \(\log_2 8 = \frac{\log_{10} 8}{\log_{10} 2} = \frac{0.9031}{0.3010} = 3\)

電卓には通常、\(\log\)(常用対数)と\(\ln\)(自然対数)の機能しかないため、この変換は非常に重要です。

常用対数(\(\log_{10}\))

\(\log_{10} 10^n = n\)

常用対数の特性:

  • \(\log_{10} 10 = 1\)
  • \(\log_{10} 100 = 2\)
  • \(\log_{10} 1000 = 3\)

常用対数は、10の何乗かを簡単に求められるため、次のような特徴があります:

  • 1以上10未満の数の常用対数は0以上1未満
  • 10以上100未満の数の常用対数は1以上2未満
  • 100以上1000未満の数の常用対数は2以上3未満

この性質から、常用対数は桁数を簡単に求めるのに便利です。

自然対数(\(\ln\) または \(\log_e\))

\(\ln e^n = n\) (\(e \approx 2.71828...\))

自然対数の特性:

  • \(\ln e = 1\)
  • \(\ln e^2 = 2\)
  • \(\ln e^3 = 3\)

電気工学では、自然対数は次のような場面で使われます:

  • RC回路や RL回路の時定数の計算
  • 増幅器の利得(ゲイン)計算
  • 減衰率の計算

常用対数と自然対数の関係:

  • \(\ln x = \log_e x = \frac{\log_{10} x}{\log_{10} e} \approx 2.303 \times \log_{10} x\)
  • \(\log_{10} x = \frac{\ln x}{\ln 10} \approx 0.4343 \times \ln x\)

3.例題で練習

例題1:基本的な対数計算

難易度:★☆☆
\(\log_2 16\) を計算せよ

対数の定義から、\(2\) の何乗が \(16\) になるかを考えます:

  • \(2^4 = 16\) だから、\(\log_2 16 = 4\)
よって結果は:\(4\)

例題2:常用対数の計算

難易度:★☆☆
\(\log_{10} 1000\) を計算せよ

常用対数の性質を使います:

  • \(10^3 = 1000\) だから、\(\log_{10} 1000 = 3\)
よって結果は:\(3\)

例題3:対数の和

難易度:★★☆
\(\log_3 (9 \times 27)\) を計算せよ

対数の和の性質を使います:

  • \(\log_3 (9 \times 27) = \log_3 9 + \log_3 27\)
  • \(3^2 = 9\) だから \(\log_3 9 = 2\)
  • \(3^3 = 27\) だから \(\log_3 27 = 3\)
  • \(\log_3 9 + \log_3 27 = 2 + 3 = 5\)
よって結果は:\(5\)

例題4:対数の差

難易度:★★☆
\(\log_2 \left(\frac{32}{4}\right)\) を計算せよ

対数の差の性質を使います:

  • \(\log_2 \left(\frac{32}{4}\right) = \log_2 32 - \log_2 4\)
  • \(2^5 = 32\) だから \(\log_2 32 = 5\)
  • \(2^2 = 4\) だから \(\log_2 4 = 2\)
  • \(\log_2 32 - \log_2 4 = 5 - 2 = 3\)
よって結果は:\(3\)

例題5:べき乗の対数

難易度:★★★
\(\log_2 (4^3)\) を計算せよ

べき乗の対数の性質を使います:

  • \(\log_2 (4^3) = 3 \times \log_2 4\)
  • \(2^2 = 4\) だから \(\log_2 4 = 2\)
  • \(3 \times \log_2 4 = 3 \times 2 = 6\)
よって結果は:\(6\)

例題6:底の変換

難易度:★★★
\(\log_3 5\) を常用対数を使って計算せよ

底の変換公式を使います:

  • \(\log_3 5 = \frac{\log_{10} 5}{\log_{10} 3}\)
  • \(\log_{10} 5 \approx 0.699\)
  • \(\log_{10} 3 \approx 0.477\)
  • \(\log_3 5 = \frac{0.699}{0.477} \approx 1.466\)
よって結果は:\(\log_3 5 \approx 1.466\)
💪

これらの例題を通じて、対数の計算方法が身につくと思います。さらに練習を重ねることで、もっと複雑な問題も解けるようになります!電気系の試験でこの辺りの問題がバッチリ解けるようになったら、合格に一歩近づきます!頑張りましょう!

4.自分で解いてみよう!練習問題

ほな、学んだことを使って実際に解いてみよか!答えは隠してあるから、自分で計算してから確認してな。答えを見るには「答えを表示」ボタンをクリックするか、答えの部分をタッチしてみてな!

練習問題1:基本的な対数計算

基礎

次の値を求めよ:

\(\log_5 125\)

練習問題2:対数の和

基礎

次の式を計算せよ:

\(\log_2 8 + \log_2 4\)

練習問題3:対数の差

標準

次の式を計算せよ:

\(\log_{10} 1000 - \log_{10} 10\)

練習問題4:複合的な対数計算

応用

次の式を計算せよ:

\(\log_2 \left(\frac{2^5 \times 2^3}{2^2}\right)\)

練習問題5:底の変換

応用

次の式を計算せよ:

\(\log_4 20\)

練習問題はどうやった?正解できたかな?

次のステップ