Logarithmisches Mittel

In der Mathematik ist das logarithmische Mittel, also der logarithmische Mittelwert, ein bestimmter Mittelwert, der die Logarithmusfunktion verwendet.

Definition

Das logarithmische Mittel <math>M_\text{lm}</math> zweier verschiedener positivreeller Zahlen <math>x,y</math> ist gegeben durch

Um auch den Fall <math>x=y</math> zu erfassen, definiert man allgemeiner

Dann ist <math>M_\text{lm}(x,x)=x</math>.

Eigenschaften

Das logarithmische Mittel ist eine streng monoton wachsende Funktion. Ferner liegt das logarithmische Mittel zwischen dem arithmetischen und geometrischen Mittel:

<math>\sqrt{x\cdot y} < \frac{y - x}{\ln y - \ln x} < \frac{x+y}{2}</math><ref>Eric W. Weisstein: Arithmetic-Logarithmic-Geometric-Mean-Inequality und Napier's Inequality in MathWorld</ref>

Diese Ungleichung gilt für <math>x,y>0</math>.

Der Beweis stützt sich auf die grafische Veranschaulichung des zugrunde liegenden Sachverhalts (Figur 1 und Figur 2). Wegen der schon vergebenen Bezeichnungen <math>x</math> und <math>y</math> für die Koordinatenachsen werden hier die positiven reellen Zahlen <math>a</math> und <math>b</math> mit <math>a<b</math> vorgegeben.<ref>Roger B. Nelsen: Beweise ohne Worte, Deutschsprachige Ausgabe herausgegeben von Nicola Oswald, Springer Spektrum, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-50330-0, Seite 142</ref><ref>Mathematics Magazine, vol. 68, no. 4 (Oct. 1995), S. 305</ref>

Aus Figur 1 resultiert der erste Beweisansatz

<math>\int_a^b \frac{1}{x}\,\mathrm dx > \frac{2}{a+b} (b-a)</math>.

Nach Stammfunktionsbildung folgt hieraus zunächst

und schließlich nach einer elementaren Ungleichungsoperation

<math>\frac{a+b}{2} > \frac{b-a}{\ln(b)-\ln(a)}</math>,

womit der rechte Teil der Ungleichung bewiesen ist.

Der zweite Beweisansatz wird aus Figur 2 ersichtlich:

<math>\int_a^b \frac{1}{x}\,\mathrm dx < \frac{1}{2}\cdot\left(\frac{1}{a}+\frac{1}{\sqrt{ab}}\right)\cdot\left(\sqrt{ab}-a\right)+\frac{1}{2}\cdot\left(\frac{1}{b}+\frac{1}{\sqrt{ab}}\right)\cdot\left(b-\sqrt{ab}\right)</math>

Wieder ergibt sich nach Lösen des Integrals und mehreren Äquivalenzumformungen

und abschließend

<math>\sqrt{ab} < \frac{b-a}{\ln(b)-\ln(a)}</math>.

Damit ist auch der linke Teil der Ungleichung bewiesen.

Figur 1

Figur 1
Figur 2

Figur 2

Anwendungen

Der logarithmische Mittelwert findet in diversen Wissenschaften und technischen Problemen Verwendung. Es tritt meist dann auf, wenn über treibende Gefälle gemittelt wird. Dies ist zum Beispiel bei der integralen Betrachtung von Wärme- oder Stofftransportprozessen der Fall, beispielsweise bei der verfahrenstechnischen Auslegung von Wärmetauschern oder Trennkolonnen.

Analysis

Mittelwertsatz

Nach dem Mittelwertsatz der Differentialrechnung gibt es zu einer differenzierbaren Funktion <math>f\colon[x,y]\rightarrow \R</math> ein <math>\xi\in[x,y]</math> mit

Für <math>f(x)=\ln\,x</math> erhält man daraus

<math>\frac1\xi=\frac{\ln x-\ln y}{x-y}\,\,</math>, also <math>\xi=\frac{x-y}{\ln x-\ln y}</math>.

Das <math>\xi</math> ist in diesem Fall also der logarithmische Mittelwert aus <math>x</math> und <math>y</math>.

Integration

Außerdem erhält man für die Integration

<math>\begin{array}{rcl}

   \int\limits_0^1 x^{1-t} y^t\ \mathrm{d}t

&=& \int\limits_0^1 \left(\frac{y}{x}\right)^t x\ \mathrm{d}t \\ &=& x \int\limits_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}</math>

Verallgemeinerungen

Mehrere Variablen

Die Verallgemeinerungen des logarithmischen Mittels auf mehr als zwei Variablen wird seltener verwendet und ist uneinheitlich.

Verallgemeinert man die Idee des Mittelwertsatzes etwa ist

<math>L_{\mathrm{MV}}(x_0,\dots,x_n) = \sqrt[-n]{(-1)^{(n+1)}\cdot n \cdot \ln[x_0,\dots,x_n]}</math>

wobei <math>\ln[x_0,\dots,x_n]</math> die dividierten Differenzen des Logarithmus bezeichnen.

Für <math>n=2</math>, also für drei Variablen, führt dies zu

<math>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)}}</math>.

Verallgemeinert man das Integral zu

<math>L_{\mathrm{I}}(x_0,\dots,x_n) = \int_S x_0^{\alpha_0}\cdot\dots\cdot x_n^{\alpha_n}\ \mathrm{d}\alpha</math>

mit <math>S = \{(\alpha_0,\dots,\alpha_n)| \alpha_0+\dots+\alpha_n=1\ \land\ \alpha_0\ge0\ \land\ \dots\ \land\ \alpha_n\ge0\}</math> erhielte man

<math>L_{\mathrm{I}}(x_0,\dots,x_n) = n!\cdot\exp[\ln x_0, \dots, \ln x_n]</math>

und als Spezialfall für drei Variablen

<math>L_{\mathrm{I}}(x,y,z) = -2\cdot\frac{x\cdot(\ln y-\ln z) + y\cdot(\ln z-\ln x) + z\cdot(\ln x-\ln y)}{(\ln x-\ln y)\cdot(\ln y-\ln z)\cdot(\ln z-\ln x)}</math>.

Andere Mittelwerte

Das Stolarsky-Mittel etwa verallgemeinert das logarithmische Mittel.

Quellen

Horst Alzer: Ungleichungen für Mittelwerte. Archiv der Mathematik, Vol 47, Nr. 5 / Nov. 1986, doi:10.1007/BF01189983.
A. O. Pittenger: The logarithmic mean in n variables. In: American Mathematical Monthly, 92 (1985), S. 99–104.
Gao Jia, Jinde Cao: A New Upper Bound of the Logarithmic Mean. Journal of Inequalities in Pure and Applied Mathematics 4, 4, 2003, 80.

Einzelnachweise