Находим логарифм с помощью обычного цикла

На прошлой неделе мы рассказали, что такое логарифм и зачем он нужен. Сегодня найдём логарифм с помощью программирования. 

Вот короткая версия теории:

Теперь, когда мы знаем достаточно про логарифм, то можем написать программу, которая нам найдёт любой логарифм по любому основанию.

В чём идея

Мы уже выяснили, что логарифм — это степень, в которую нужно возвести основание логарифма, чтобы получить нужное число. Получается, что нам нужно подобрать такую степень, чтобы при возведении она давала такое же число — это и будет ответом к решению логарифма.

Алгоритм поиска будет таким: 

Мы так уже делили границы пополам в задаче про то, как угадать число за 7 попыток, поэтому, если алгоритм показался немного непонятным, — перечитайте то решение и возвращайтесь сюда.

Готовим переменные

Для работы программы пользователь должен будет указать три вещи:

Выделим переменные для этого: 

# на старте границы поиска значения логарифма все равны нулю
start = 0
end = 0
middle = 0

# логарифм какого числа мы ищем
num = 600
# основание логарифма
base = 10

# сколько нужно знаков после запятой
accuracy = 4

Вычисляем границы

Поиск делаем так: начинаем считать от нуля и на каждом шаге увеличиваем это значение на единицу. Как только мы превысили аргумент (то, от чего берём логарифм) — это наша конечная граница. Соответственно, предыдущее значение, которое на единицу меньше, будет стартовой границей.

# пока основание в очередной степени не превысило само число — 
while base**end <= num:
    # увеличиваем конечную границу поиска на единицу
    end += 1

# откатываемся на один шаг назад от конечной границы, чтобы найти начальную границу
start = end - 1

Проверяем, вдруг мы сразу нашли решение

На всякий случай перед тем, как идти дальше, проверим, будет ли решением наша стартовая граница — это сразу может сэкономить нам много сил в дальнейшем:

Проверяем, вдруг мы сразу нашли решение
На всякий случай перед тем, как идти дальше, проверим, будет ли решением наша стартовая граница — это сразу может сэкономить нам много сил в дальнейшем:
# если сразу нашли целое значение степени
if base**start == num:
    # выводим решение
    print('log(' + str(base) + ')' + str(num) + ' = ' + str(start))
    # останавливаем программу
    exit(0)

Считаем логарифм

Мы будем считать логарифм не классическим способом из высшей математики, а простым приближением — найдём ответ с приемлемой точностью. За точность отвечает переменная accuracy, но в цикле мы её умножим на 4. Это неочевидный ход, поэтому сейчас объясним, в чём тут дело.

Теперь запишем этот цикл на языке программирования. Его можно было сделать изящнее, например, вложив условные операторы друг в друга или используя оператор множественного выбора, но так получается нагляднее:

# организуем цикл, чтобы получить нужную точность после запятой
for i in range(accuracy*4):
    # увеличиваем счётчик цикла
    i += 1
    # находим серединное значение
    middle = (start + end) / 2
    # если основание в этой степени больше нашего числа, то сдвигаем к середине конечную границу
    if base**middle > num:
        end = middle
    # если основание в этой степени больше нашего числа, то сдвигаем к середине начальную границу
    if base**middle < num:
        start = middle
    # если основание в этой степени равно нашему числу
    if base**middle == num:
        # выводим ответ и выходим из цикла
        print('log(' + base + ')' + num + ' = ' + start)
        break

Выводим ответ

Это самая простая часть алгоритма:

# когда цикл закончился — выводим ответ
print('log(' + str(base) + ')' + str(num) + ' = ' + str(middle))

Проверяем работу

Для проверки посчитаем log(10) 600 с помощью нашей программы:

Теперь запустим калькулятор и проверим наше решение:

# на старте границы поиска значения логарифма все равны нулю
start = 0
end = 0
middle = 0

# логарифм какого числа мы ищем
num = 600
# основание логарифма
base = 10

# сколько нужно знаков после запятой
accuracy = 5

# пока основание в очередной степени не превысило само число — 
while base**end <= num:
    # увеличиваем конечную границу поиска на единицу
    end += 1

# откатываемся на один шаг назад от конечной границы, чтобы найти начальную границу
start = end - 1

# если сразу нашли целое значение степени
if base**start == num:
    # выводим решение
    print('log(' + str(base) + ')' + str(num) + ' = ' + str(start))
    # останавливаем программу
    exit(0)

# организуем цикл, чтобы получить нужную точность после запятой
for i in range(accuracy*4):
    # увеличиваем счётчик цикла
    i += 1
    # находим серединное значение
    middle = (start + end) / 2
    # если основание в этой степени больше нашего числа, то сдвигаем к середине конечную границу
    if base**middle > num:
        end = middle
    # если основание в этой степени больше нашего числа, то сдвигаем к середине начальную границу
    if base**middle < num:
        start = middle
    # если основание в этой степени равно нашему числу
    if base**middle == num:
        # выводим ответ и выходим из цикла
        print('log(' + base + ')' + num + ' = ' + start)
        break

# когда цикл закончился — выводим ответ
print('log(' + str(base) + ')' + str(num) + ' = ' + str(middle))

Любите математику? Это для вас

Попробуйте бесплатный тренажер «Основы математики для цифровых профессий». Это все необходимые знания, чтобы закрыть пробелы в математике для айтишника.

Попробовать бесплатно