自然対数表を作ろう                         戻る

 底が 10 の常用対数だと、 log102=0.3010 、log103=0.4771 、 ・・・ という
風に、すらすらそらんじていられる方も多いと思うが、底が Napier の数 e の自然対数だ
と、loge2 の値すら、1より小さそうという実感はあるが、その値を常用対数並みにそらん
じていられる方は多分そんなにはいないだろうと思う。

       loge2 =0.693146・・・

という値であるが、この値は、実際どんな方法で求めているのであろうか?

 その方法が分かれば、自然対数表を自前で作成することも可能となる。

このページでは、次のような数表(小数第3位まで正しい値)

X logeX X logeX
1 0.000 11 2.397
2 0.693 12 2.484
3 1.098 13 2.564
4 1.386 14 2.639
5 1.609 15 2.708
6 1.791 16 2.772
7 1.945 17 2.833
8 2.079 18 2.890
9 2.197 19 2.944
10 2.302 20 2.995

の作成を試みるつもりである。

 関数電卓を用いれば数表を作ることは簡単であるが、もちろん、それは本意ではない。
関数電卓を用いないで、手計算で求めることを主眼とする。

 log x (底 e は省略)の値は、定積分

          

の値として計算される。( → (参考) 直角双曲線の面白い性質 )

 上記の定義を用いて、log2 の値を求める場合、通常定積分の近似計算が有効だろう。
台形公式やシンプソンの公式などがよく知られた方法である。
                                  ( → (参考) モンテカルロ法 )

 区間 [1,2] を10等分して、実際に、台形公式から、log2 の近似値を求めると、

log 2 ≒ (0.1)(1/2)(1+2(0.909+0.833+0.769+0.714+0.667

                      +0.625+0.588+0.556+0.526)+0.5)

より、    log 2 ≒ 0.6937   となる。

 台形公式の特徴から、この値は、log2 の真の値よりも若干大きめの値となっている。

計算量が少なく、できるだけ誤差を抑えた形で求める方法が必要とされる。

 計算の見通しをよくするために、定積分で定義された対数の式を次のように変形する。

         

 ここで、
       
なので、
       
よって、
      
となる。

 右辺にある定積分の被積分関数は、十分小さい x に対しては、無視できる値であること
が予想される。

 実際に、例えば、n=6 の場合について、グラフを考察すると、

          

となっている。ただ、どこまで無視できる値かは直ぐには分からないし、もっとも定積分の値
の計算が結構大変そうである。

 例えば、x=1 のとき、

      なので、

よって、
      

で、log 2 の近似値を計算する場合、その誤差を、0.01以内の範囲で収めようとすれば、

           

から、n ≧50 となる。

 わずか小数点以下第2位まで求める場合でも、n=50 程度の計算が必要になり、手
計算で求めようとするこのページの趣旨からすれば、ちょっと「違うな〜!」という印象を
拭えない。

 今度は、x=−1/2 としてみよう。

     なので、

 よって、n =3 とすると、誤差は、

        

の範囲に収まる。

 このとき、

 

から、 log 2 ≒ 0.69・・・・・・・・ であることが分かる。

 n =4 とすれば、誤差は、0.001の範囲に収まり、log 2 ≒ 0.693・・・ である。

(ちょっと、手計算では、分数の計算が大変ですね!)

 そこで、もっと計算が少なくて済むような、自然対数の実用的な計算方法が求められる。

 上記と同様な計算をして、



      誤差の絶対値は、
                  

     より小さい。



      誤差の絶対値は、
                

     より小さい。

2つの式を辺々引いて、

   

  

ここで、
    

であるので、

  

この近似式の誤差の絶対値は、

  

より小さい。   であるので、誤差の絶対値は、

   

より小さいとしてよい。

 この近似式を用いると、順次 log 2 、log 3 、log 4 、・・・ が求められる。

 数表は、小数点以下第3位まで正しく求まればよいというスタンスなので、各分数の小数
表示は、小数点以下第5位まで求めればよい。
 そうすれば、小数計算による誤差は、0.000005 以内に抑えられる。

m=1 のとき、n=4 とすれば、誤差は、1/(9・38) ≒ 0.0000169 程度である。

 このとき、



で、誤差は、 0.0000169+0.000005×4=0.0000369 程度に抑えられる。

 したがって、 log 2 ≒ 0.693 であるとしてよい。

m=2 のとき、n=3 とすれば、誤差は、1/(2・7・56) ≒ 0.00000457 程度である。

 このとき、

   

で、誤差は、 0.00000457+0.000005×3=0.00001957 程度に抑えられる。

 したがって、

 log 3 ≒ log 2 +0.40545=1.09845 で、誤差は、0.00005647 以内である。

これより、  log 3 ≒ 1.098  であるとしてよい。

 以下同様にして、3個程度の分数計算で、順次に自然数の自然対数が求められる。

 計算精度を高めるには、n の値を大きくすればよいが、log 2 の計算のところで、n =5
位にしておけば十分であると思う。

(参考文献:マルクシェヴィチ 著 宮本敏雄・北原 泰 訳 面積と対数 (東京図書))