Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

8.5: Експоненціальна функція

  • Page ID
    62446
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Визначення

    Ми називаємо обернену функцію логарифма експоненціальною функцією. Позначимо значення експоненціальної функції при дійсному числі\(x\) по\(\exp (x)\).

    Пропозиція\(\PageIndex{1}\)

    Експоненціальна функція має область\(\mathrm{R}\) і діапазон\((0,+\infty)\). Більш того, експоненціальна функція збільшується і диференційована на\(\mathbb{R}\). Якщо\(f(x)=\exp (x),\) тоді\(f^{\prime}(x)=\exp (x)\).

    Доказ

    Тільки остаточне твердження пропозиції вимагає доказів. Якщо ми дозволимо\(g(x)=\log (x),\) тоді

    \[f^{\prime}(x)=\frac{1}{g^{\prime}(\exp (x))}=\exp (x).\]

    Q.E.D.

    Пропозиція\(\PageIndex{2}\)

    Для будь-яких дійсних чисел\(x\) і\(y\),

    \[\exp (x+y)=\exp (x) \exp (y).\]

    Доказ

    Результат випливає з

    \[\log (\exp (x) \exp (y))=\log (\exp (x))+\log (\exp (y))=x+y.\]

    Q.E.D.

    Пропозиція\(\PageIndex{3}\)

    Для будь-якого дійсного числа\(x\),

    \[\exp (-x)=\frac{1}{\exp (x)}.\]

    Доказ

    Результат випливає з

    \[\log \left(\frac{1}{\exp (x)}\right)=-\log (\exp (x))=-x.\]

    Q.E.D.

    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    Використовуйте теорему Тейлора, щоб показати, що

    \[\exp (1)=e=\sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n !}.\]

    Пропозиція\(\PageIndex{4}\)

    Для будь-якого раціонального числа\(\alpha\)

    \[\exp (\alpha)=e^{\alpha}.\]

    Доказ

    Так як у\(\log (e)=1,\) нас є

    \[\log \left(e^{\alpha}\right)=\alpha \log (e)=\alpha.\]

    Q.E.D.

    Визначення

    Якщо\(\alpha\) це ірраціональне число, визначаємо

    \[e^{\alpha}=\exp (\alpha).\]

    Зверніть увагу, що для будь-яких дійсних чисел\(x\) і\(y\),

    \[e^{x+y}=e^{x} e^{y}\]

    і

    \[e^{-x}=\frac{1}{e^{x}}.\]

    Причому,\(\log \left(e^{x}\right)=x\) і, якщо\(x>0, e^{\log (x)}=x\).

    Визначення

    Якщо\(x\) і\(a\) є дійсними числами з\(a>0,\) ми визначаємо

    \[a^{x}=e^{x \log (a)}.\]

    Вправа\(\PageIndex{2}\)

    \(f:(0,+\infty) \rightarrow \mathbb{R}\)Визначте\(f(x)=x^{a},\), де\(a \in \mathbb{R}, a \neq 0\). Покажіть, що\(f^{\prime}(x)=a x^{a-1}\).

    Вправа\(\PageIndex{3}\)

    Припустимо,\(a\) це додатне дійсне число і\(f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) визначається\(f(x)=a^{x} .\) Show that\(f^{\prime}(x)=a^{x} \log (a)\).

    Пропозиція\(\PageIndex{5}\)

    Для будь-якого дійсного числа\(\alpha>0\),

    \[\lim _{x \rightarrow+\infty} x^{\alpha} e^{-x}=0.\]

    Доказ

    Ми знаємо, що

    \[\lim _{y \rightarrow+\infty} \frac{\log (y)}{y^{\frac{1}{2}}}=0.\]

    Звідси

    \[\lim _{y \rightarrow+\infty} \frac{(\log (y))^{\alpha}}{y}=0.\]

    \(y=e^{x},\)Дозволивши нам

    \[\lim _{x \rightarrow+\infty} \frac{x^{\alpha}}{e^{x}}=0.\]

    Q.E.D.

    Пропозиція\(\PageIndex{6}\)

    Для будь-якого дійсного числа\(\alpha\),

    \[\lim _{x \rightarrow+\infty}\left(1+\frac{\alpha}{x}\right)^{x}=e^{\alpha}.\]

    Доказ

    Спочатку відзначимо, що, пускаючи\(x=\frac{1}{h}\),

    \[\lim _{x \rightarrow+\infty}\left(1+\frac{\alpha}{x}\right)^{x}=\lim _{h \rightarrow 0+}(1+\alpha h)^{\frac{1}{k}}=\lim _{h \rightarrow 0^{+}} e^{\frac{1}{h} \log (1+\alpha h)}.\]

    Використовуючи правило I'Hópital, ми маємо

    \[\lim _{h \rightarrow 0^{+}} \frac{\log (1+\alpha h)}{h}=\lim _{h \rightarrow 0^{+}} \frac{\alpha}{1+\alpha h}=\alpha,\]

    і результат випливає з неперервності експоненціальної функції. \(\quad\)Q.E.D.

    Визначення

    Визначаємо гіперболічні синусоїдальні та гіперболічні косинуси функціями

    \[\sinh (x)=\frac{e^{x}-e^{-x}}{2}\]

    і

    \[\cosh (x)=\frac{e^{x}+e^{-x}}{2},\]

    відповідно.

    Вправа\(\PageIndex{4}\)

    Покажіть, що для будь-яких дійсних чисел\(x\) і\(y\),

    \[\sinh (x+y)=\sinh (x) \cosh (y)+\sinh (y) \cosh (x)\]

    і

    \[\cosh (x+y)=\cosh (x) \cosh (y)+\sinh (x) \sinh (y).\]

    Вправа\(\PageIndex{5}\)

    Показати, що для будь-якого дійсного числа\(x\),

    \[\cosh ^{2}(x)-\sinh ^{2}(x)=1.\]

    Вправа\(\PageIndex{6}\)

    Якщо\(f(x)=\sinh (x)\) і\(g(x)=\cosh (x),\) показати, що

    \[f^{\prime}(x)=\cosh (x)\]

    і

    \[g^{\prime}(x)=\sinh (x).\]