3.4 Graphs and Domains of Logarithmic Functions |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Goals: |
||||||||||||||||||||
· Graph by hand a logarithmic function |
||||||||||||||||||||
· Discuss the characteristics common to graphs of log functions with different bases |
||||||||||||||||||||
· Write a function rule for a give logarithmic graph |
||||||||||||||||||||
· Find domain of given logarithmic function |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Prerequisite skills and knowledge: |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
· a working knowledge of logarithms to any base |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
· domain of a function |
||||||||||||||||||||
· e |
||||||||||||||||||||
· exponential function |
||||||||||||||||||||
· logarithm |
||||||||||||||||||||
· natural logarithm |
||||||||||||||||||||
· sign chart |
||||||||||||||||||||
· vertical asymptote |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Example 1. Make a sketch of the graph of the function given by |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
First we’ll make a table of values. Note that is undefined, because the base, 10, is a positive number and there is no exponent that will give us : 10?? = -10. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Similarly, the log of any negative number is undefined. If we try to evaluate log(0), we have the same problem.
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
We say the domain of the function given by is . |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
In the table below, we‘ve chosen numbers easy to work with (x = 0.01, 0.1, 1, and 10). In the other cases, we can use our calculators to approximate the values. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Next, we plot the points and connect them. Your graph should look something like this: |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Notice that since the log of 0 is undefined, the graph hugs the vertical axis. This happens because the inputs can get really, really close to 0, but not equal 0. We write: |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
which we read “as x approaches 0 from the right.” Notice that as these input values get very small, like , the output values get large in the negative direction. Complete the following table to convince yourself of this fact. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
We say that the vertical axis is a vertical asymptote because as , the function values, . |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Example 2. Make a graph of each of the functions given by and |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Our table of values for is the following. Note that as with the log function base 10, only positive numbers have output values. Note also that using powers of 2 makes calculations easy. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Note that the graph of this function is wider (farther from the x-axis) than the graph of when the base was 10. Discuss with your colleagues why this is so. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Notice again that the vertical axis (y axis) is a vertical asymptote of the graph of the function because as , the function values, . |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
The graph of the function given by falls in between the two graphs above: |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Explain why this is so. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Example 3. Note how the graph of compares to the graph of . |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Explain why this is so. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Example 4. Compare the graphs of and on the same graph. How are they related? |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
The graphs are mirror images of each other across the line . |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
If we look at the table of values for each of the above functions, we notice that if we use the outputs of as inputs for , we obtain the inputs of . |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
The Domain of the Log Function |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
As we noticed above, the log of a negative number is undefined. Recall that no matter what the value of a positive base a is, is positive. Convince yourself of this fact by trying to evaluate the following logarithms. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Example 5. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
a) b) |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
c) d) |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
SOLUTION |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
a) Using the definition of logarithm, |
||||||||||||||||||||
is the exponent we need to raise 10 to in order |
||||||||||||||||||||
to obtain : |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
b) Using the definition of logarithm, |
||||||||||||||||||||
is the exponent we need to raise 2 to in order |
||||||||||||||||||||
to obtain : |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
c) Using the definition of logarithm, |
||||||||||||||||||||
is the exponent we need to raise 3 to in order |
||||||||||||||||||||
to obtain 0: |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
d) Using the definition of logarithm, |
||||||||||||||||||||
is the exponent we need to raise e to in order |
||||||||||||||||||||
to obtain : |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Example 6. Find the domain of each of the following functions. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
a) b) |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
c) d) |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
e) f) |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
SOLUTION |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
a) Since the log of a negative number does not exist, the domain is . |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
b) |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
The expression after must be positive, |
||||||||||||||||||||
so we set it and solve: |
||||||||||||||||||||
The domain therefore, is |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
c) |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
The expression after must be positive, |
||||||||||||||||||||
so we set it and solve: |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
The domain therefore, is |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
d) |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
The expression after must be positive, |
||||||||||||||||||||
so we set it and solve: |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
The domain therefore, is . |
||||||||||||||||||||
Notice that some negative numbers fall in this domain. For example, is in the |
||||||||||||||||||||
domain since the expression after , which is |
||||||||||||||||||||
positive. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
e) |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Finding the domain for this function takes more work since the expression is non-linear. |
||||||||||||||||||||
You may need to refresh the use of sign charts, which we review briefly here. For |
||||||||||||||||||||
more detail, see section 2.4 of the Fundamental Mathematics V e-book. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Find the critical numbers for the function by |
||||||||||||||||||||
setting the expression after “log” = 0: |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Use these critical numbers as interval endpoints on |
||||||||||||||||||||
a sign chart and then use test numbers to determine the sign |
||||||||||||||||||||
of the factors in these intervals: |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
We choose the intervals where the product is positive. |
||||||||||||||||||||
The domain, therefore, is |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
f) |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Again we use a sign chart here: |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Find the critical numbers for the function by |
||||||||||||||||||||
setting the expression after “log” = 0: |
||||||||||||||||||||
Use these critical numbers as interval endpoints on |
||||||||||||||||||||
a sign chart and then use test numbers to determine the sign |
||||||||||||||||||||
of the factors in these intervals: |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
We choose the intervals where the product is positive. |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
The domain, therefore, is |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||