对数平均

对数平均是一个二个非负数字的数学函数，等于两者的差除以其对数的差。其符号为：

{\begin{array}{ll}M_{\text{lm}}(x,y)&=\lim _{(\xi ,\eta )\to (x,y)}{\frac {\eta -\xi }{\ln \eta -\ln \xi }},\\&={\begin{cases}0&{\text{if }}x=0{\text{ or }}y=0,\\x&{\text{if }}x=y,\\{\frac {y-x}{\ln y-\ln x}}&{\text{otherwise,}}\end{cases}}\end{array}}

其中 $x,y$ 都是正整数。

对数平均的计算适用在有关热传及质传的工程问题上。

不等式[编辑]

二个数字的对数平均小于其算术平均，大于几何平均^[1]，若二个数字相等，对数平均会等于算数平均及几何平均。

{\sqrt {x\cdot y}}\leq M_{\text{lm}}(x,y)\leq {\frac {x+y}{2}}\qquad {\text{ for all }}x\geq 0{\text{ and }}y\geq 0.

平均的推导[编辑]

微分的均值定理[编辑]

根据均值定理

\exists \xi \in [x,y]:\ f'(\xi )={\frac {f(x)-f(y)}{x-y}}

若将 $f$ 改为 $\ln$ ，对数平均可以由 $\xi$ 来求得

{\frac {1}{\xi }}={\frac {\ln x-\ln y}{x-y}}

求解 $\xi$ 。

\xi ={\frac {x-y}{\ln x-\ln y}}

积分[编辑]

对数平均也可以表示为指数函数以下的面积。

L(x,y)=\int _{0}^{1}x^{1-t}y^{t}\ \mathrm {d} t

${\begin{array}{rcl}\int _{0}^{1}x^{1-t}y^{t}\ \mathrm {d} t&=&\int _{0}^{1}\left({\frac {y}{x}}\right)^{t}x\ \mathrm {d} t\\&=&x\int _{0}^{1}\left({\frac {y}{x}}\right)^{t}\mathrm {d} t\\&=&{\frac {x}{\ln {\frac {y}{x}}}}\left({\frac {y}{x}}\right)^{t}|_{t=0}^{1}\\&=&{\frac {x}{\ln {\frac {y}{x}}}}\left({\frac {y}{x}}-1\right)\\&=&{\frac {y-x}{\ln y-\ln x}}\end{array}}$

面积的表示法可以推导一个有关对数平均的基本性质。因为指数函数为单调函数，长度为1区间的的积分会在 $x$ 和 $y$ 之间。积分算子的齐次性转移到平均算子，因此 $L(c\cdot x,c\cdot y)=c\cdot L(x,y)$ .

推广[编辑]

微分的均值定理[编辑]

对数平均可推广到 $n+1$ 变数，考虑对数n阶导数的均差中值定理（英语：mean value theorem (divided differences)）。可以得到: $L_{\mathrm {MV} }(x_{0},\dots ,x_{n})={\sqrt[{-n}]{(-1)^{(n+1)}\cdot n\cdot \ln[x_{0},\dots ,x_{n}]}}$ 其中 $\ln[x_{0},\dots ,x_{n}]$ 为对数的均差。

若 $n=2$ ，会变成

L_{\mathrm {MV} }(x,y,z)={\sqrt {\frac {(x-y)\cdot (y-z)\cdot (z-x)}{2\cdot ((y-z)\cdot \ln x+(z-x)\cdot \ln y+(x-y)\cdot \ln z)}}}

.

积分[编辑]

积分的表示法也可以推广到多变数，但结果不同。假设单纯形 $S$ 其中 $S=\{(\alpha _{0},\dots ,\alpha _{n}):\alpha _{0}+\dots +\alpha _{n}=1\ \land \ \alpha _{0}\geq 0\ \land \ \dots \ \land \ \alpha _{n}\geq 0\}$ 及适当的量度 $\mathrm {d} \alpha$ 可以使单纯形得到1的体积，可得