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指数関数と対数関数

指数関数

ネイピア数

以下で定義される定数eeをネイピア数という

lim⁡n→∞(1+1n)n=e=2.7182818⋯\lim _{n \rightarrow \infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)^n=e=2.7182818 \cdots

(英語だとtheがつくかどうかで底の違いを表現する。日本語だとややこしいが、標準的な指数関数はeeを底とする指数関数である)

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<Figure size 400x200 with 1 Axes>

x=0x=0のとき、e0=1e^0 = 1

x=1x=1のとき、e1=ee^1 = e

x=−1x=-1のとき、e−1=1e=0.3678⋯e^{-1} = \frac{1}{e} = 0.3678 \cdots

(1+xn)n\left(1+\frac{x}{n}\right)^nを有限の範囲でいくつか試すと以下のようになる

n=1, e=2.000
n=2, e=2.250
n=3, e=2.370
n=4, e=2.441
n=5, e=2.488
Source
<Figure size 400x200 with 1 Axes>

指数(関数)の基本的性質(指数法則)

例:x−1x^{-1} は?

x−1x^{-1}とxxを乗じればx−1×x1=x−1+1=x0=1x^{-1} \times x^1 = x^{-1 + 1} = x^0 = 1となる。

なのでx−1=1xx^{-1} = \frac{1}{x}となる。一般にx−nx^{-n}も同様。

例:x12x^{\frac{1}{2}} は?

x12x^{\frac{1}{2}}とx12x^{\frac{1}{2}}を乗じればx12×x12=x12+12=xx^{\frac{1}{2}} \times x^{\frac{1}{2}} = x^{\frac{1}{2} + \frac{1}{2}} = xとなる。

なのでx12=xx^{\frac{1}{2}} = \sqrt{x}

xxを0.01増やすとyyが1%増える

この誤差はxxが大きくなるにつれて大きくなる

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<Figure size 500x300 with 2 Axes>

対数関数

指数関数の逆関数を 対数関数 (logarithmic function)という。

ay=xa^y = xのとき、「yyはaaを 底 とする xx の対数」といい

y=log⁡axy = \log_{a} x

と表す。

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<Figure size 400x200 with 1 Axes>

自然対数

底(base)がネイピア数 ee の対数を自然対数という。

ln⁡x:=log⁡ex\ln x := \log_e x

また自然対数は指数関数exe^xの逆関数として定義される(「eeを何乗したらxxになるか?」がln⁡x\ln x)

y=ln⁡x⟺ey=xy=\ln x \quad \Longleftrightarrow \quad e^y=x

対数関数の性質

a>0,a≠1,b>0,M>0,N>0a > 0, a \neq 1, b > 0, M > 0, N > 0に対して

log⁡a1=0log⁡aa=1log⁡axy=log⁡ax−log⁡aylog⁡axy=log⁡ax+log⁡aylog⁡axy=ylog⁡axlog⁡bx=log⁡axlog⁡ab\begin{align} \log_a 1 &= 0\\ \log_a a &= 1\\ \log_a \frac{x}{y} &= \log_a x - \log_a y\\ \log_a xy &= \log_a x + \log_a y\\ \log_a x^y &= y \log_a x\\ \log_b x &= \frac{\log_a x}{\log_a b}\\ \end{align}
例:axa^x

底がaaの対数を取る場合

log⁡a(ax)=x\log_a (a^x) = x

自然対数を使う場合

ln⁡(ax)=xln⁡(a)(∵log⁡xy=ylog⁡xの性質より)\ln (a^x) = x \ln(a) \quad (\because \log x^y = y \log x の性質より)

元本が2倍になる年数は

例:元本が2倍になる年数は?

年率5%の利益が複利で運用できるとして、元本が2倍になるには何年かかる?

利率rrでnn年間複利運用したときの利益率π\piは

(1+r)n=π(1 + r)^n = \pi

r=0.05r=0.05とすると、π=2\pi=2になるのは

(1.05)n=2(1.05)^n = 2

両辺の対数をとると

log⁡10(1.05)n=log⁡102→nlog⁡101.05=log⁡102→n=log⁡102log⁡101.05≈14.2\log_{10} (1.05)^n = \log_{10} 2 \\ \to n \log_{10} 1.05 = \log_{10} 2 \\ \to n = \frac{ \log_{10} 2 }{ \log_{10} 1.05 } \approx 14.2

なので約14年かかることになる。

14.206699082890461

ln⁡(1.01)≈0.01\ln(1.01) \approx 0.01