n n n が正整数のとき a n a^n a n の意味はわかっている——a a a を n n n 回掛け合わせるだけだ。これを負の整数(a − n = 1 / a n a^{-n} = 1/a^n a − n = 1/ a n )や有理数の指数(a p / q = a p q a^{p/q} = \sqrt[q]{a^p} a p / q = q a p )に拡張することもできる。では 2 2 2^{\sqrt{2}} 2 2 や e π e^{\pi} e π はどんな意味をもつべきか?無理数の指数は「1回ずつ掛けていく」操作に落とし込めないため、まったく別のアプローチが必要になる。指数関数 (exponential function)がその答えだ——明示的に収束するべき級数を使うことで、すべての実数 x x x に対して a x a^x a x の値を正確に定義できる。
整数べきからすべての実数べきへ
底 a > 0 a > 0 a > 0 を固定すれば整数べきは明確であり、有理数べき a p / q ≔ ( a q ) p a^{p/q} \coloneqq (\sqrt[q]{a})^p a p / q : = ( q a ) p は見慣れた指数法則 a r + s = a r a s a^{r+s} = a^r a^s a r + s = a r a s および ( a r ) s = a r s (a^r)^s = a^{rs} ( a r ) s = a r s を満たす。
無理数 の x x x への拡張はより難しい。実数 において Q \mathbb{Q} Q は R \mathbb{R} R で稠密だから、すべての無理数は有理数列の極限として得られる。そこで有理数列 r n → x r_n \to x r n → x を選んで a x ≔ lim n → ∞ a r n a^x \coloneqq \lim_{n \to \infty} a^{r_n} a x : = lim n → ∞ a r n と宣言したいところだが、この極限が存在し選んだ有理数列によらないことを証明するには t ↦ a t t \mapsto a^t t ↦ a t の連続性が必要になり、それはまだ確立されていない。
以下のべき級数による定義はこの循環を完全に回避する——最初から x ∈ R x \in \mathbb{R} x ∈ R のすべての値に対して有効な、明示的な公式を与えるのだ。
べき級数による定義
定義。 指数関数 exp : R → R \exp \colon \mathbb{R} \to \mathbb{R} exp : R → R をべき級数
exp ( x ) ≔ ∑ k = 0 ∞ x k k ! = 1 + x + x 2 2 ! + x 3 3 ! + ⋯ (1) \exp(x) \coloneqq \sum_{k=0}^{\infty} \frac{x^k}{k!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \cdots \tag{1} exp ( x ) : = k = 0 ∑ ∞ k ! x k = 1 + x + 2 ! x 2 + 3 ! x 3 + ⋯ ( 1 )
で定義する。
( 1 ) (1) ( 1 ) の部分和は x x x の多項式であり(多項式関数 )、exp \exp exp はその無限列の極限という意味で定義されている。
絶対収束
( 1 ) (1) ( 1 ) を使う前に、すべての実数 x x x に対して収束することを確認しなければならない。**比判定法(ratio test)**を適用する:連続する項の比の絶対値は
∣ x k + 1 / ( k + 1 ) ! x k / k ! ∣ = ∣ x ∣ k + 1 \left\lvert\frac{x^{k+1}/(k+1)!}{x^k/k!}\right\rvert = \frac{|x|}{k+1} x k / k ! x k + 1 / ( k + 1 )! = k + 1 ∣ x ∣
固定した x ∈ R x \in \mathbb{R} x ∈ R に対してこの比は k → ∞ k \to \infty k → ∞ のとき 0 0 0 に収束する(分母は限りなく増大する)。0 < 1 0 < 1 0 < 1 だから比判定法により x ∈ R x \in \mathbb{R} x ∈ R のすべての値で絶対収束 が保証される。
絶対収束は単なる技術的条件ではない:級数の項を自由に並び替えたり再グループしたりする許可を与えてくれる——この許可を次のセクションで直接使う。
e e e との一致
最も単純な2点での評価を確認すると、exp \exp exp がネイピア数 e e e で導入した定数 e e e と一致することがわかる:
x = 0 x = 0 x = 0 のとき: exp ( 0 ) = ∑ k = 0 ∞ 0 k k ! = 1 \;\exp(0) = \displaystyle\sum_{k=0}^{\infty} \frac{0^k}{k!} = 1 exp ( 0 ) = k = 0 ∑ ∞ k ! 0 k = 1 (慣例として 0 0 ≔ 1 0^0 \coloneqq 1 0 0 : = 1 )。
x = 1 x = 1 x = 1 のとき: exp ( 1 ) = ∑ k = 0 ∞ 1 k ! = 1 0 ! + 1 1 ! + 1 2 ! + ⋯ = e , \;\exp(1) = \displaystyle\sum_{k=0}^{\infty} \frac{1}{k!} = \frac{1}{0!} + \frac{1}{1!} + \frac{1}{2!} + \cdots = e, exp ( 1 ) = k = 0 ∑ ∞ k ! 1 = 0 ! 1 + 1 ! 1 + 2 ! 1 + ⋯ = e ,
ここで最後の等式はネイピア数 e e e で確立した e e e の級数表示だ。
exp \exp exp は 0 ↦ 1 0 \mapsto 1 0 ↦ 1 、1 ↦ e 1 \mapsto e 1 ↦ e と対応させ、e x e^x e x を exp ( x ) \exp(x) exp ( x ) の代替記法として使うことは e e e のすべての整数べきと整合する。
加法公式
exp \exp exp の最も重要な代数的性質は:
exp ( x + y ) = exp ( x ) exp ( y ) すべての x , y ∈ R に対して。 (2) \exp(x + y) = \exp(x)\exp(y) \quad \text{すべての } x, y \in \mathbb{R} \text{ に対して。} \tag{2} exp ( x + y ) = exp ( x ) exp ( y ) すべての x , y ∈ R に対して。 ( 2 )
証明。 2つの絶対収束する級数を**コーシー積(Cauchy product)**で掛け合わせる:
exp ( x ) exp ( y ) = ( ∑ j = 0 ∞ x j j ! ) ( ∑ k = 0 ∞ y k k ! ) = ∑ n = 0 ∞ ∑ j = 0 n x j j ! ⋅ y n − j ( n − j ) ! . \exp(x)\,\exp(y) = \left(\sum_{j=0}^{\infty}\frac{x^j}{j!}\right)\!\left(\sum_{k=0}^{\infty}\frac{y^k}{k!}\right) = \sum_{n=0}^{\infty}\sum_{j=0}^{n}\frac{x^j}{j!}\cdot\frac{y^{n-j}}{(n-j)!}. exp ( x ) exp ( y ) = ( j = 0 ∑ ∞ j ! x j ) ( k = 0 ∑ ∞ k ! y k ) = n = 0 ∑ ∞ j = 0 ∑ n j ! x j ⋅ ( n − j )! y n − j .
内側の和から 1 n ! \tfrac{1}{n!} n ! 1 を括り出し、**二項定理(binomial theorem)**を適用する:
∑ j = 0 n x j y n − j j ! ( n − j ) ! = 1 n ! ∑ j = 0 n ( n j ) x j y n − j = ( x + y ) n n ! \sum_{j=0}^{n}\frac{x^j\,y^{n-j}}{j!\,(n-j)!} = \frac{1}{n!}\sum_{j=0}^{n}\binom{n}{j}x^j y^{n-j} = \frac{(x+y)^n}{n!} j = 0 ∑ n j ! ( n − j )! x j y n − j = n ! 1 j = 0 ∑ n ( j n ) x j y n − j = n ! ( x + y ) n
よって exp ( x ) exp ( y ) = ∑ n = 0 ∞ ( x + y ) n n ! = exp ( x + y ) \exp(x)\,\exp(y) = \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\dfrac{(x+y)^n}{n!} = \exp(x+y) exp ( x ) exp ( y ) = n = 0 ∑ ∞ n ! ( x + y ) n = exp ( x + y ) 。
式 ( 2 ) (2) ( 2 ) は exp \exp exp が加法を乗法に変換することを示している——これはまさに指数関数に期待される振る舞いだ。y = 0 y = 0 y = 0 と置けば exp ( x ) ⋅ 1 = exp ( x ) \exp(x) \cdot 1 = \exp(x) exp ( x ) ⋅ 1 = exp ( x ) が回収でき、y = − x y = -x y = − x と置けば次のセクションで使う重要な帰結が得られる。
厳密な正値性
主張。 すべての x ∈ R x \in \mathbb{R} x ∈ R に対して exp ( x ) > 0 \exp(x) > 0 exp ( x ) > 0 。
証明。 ( 2 ) (2) ( 2 ) で y = − x y = -x y = − x と置くと exp ( x ) exp ( − x ) = exp ( 0 ) = 1 \exp(x)\,\exp(-x) = \exp(0) = 1 exp ( x ) exp ( − x ) = exp ( 0 ) = 1 。よって exp ( x ) \exp(x) exp ( x ) と exp ( − x ) \exp(-x) exp ( − x ) は互いに正の逆数になっており、どちらも零になれない。exp ( 0 ) = 1 > 0 \exp(0) = 1 > 0 exp ( 0 ) = 1 > 0 であり exp \exp exp は連続(収束するべき級数として与えられているから)なので、中間値定理によりいたるところで正であり続ける。
導関数
定理。 d d x exp ( x ) = exp ( x ) \dfrac{d}{dx}\exp(x) = \exp(x) d x d exp ( x ) = exp ( x ) 。
証明。 ( 1 ) (1) ( 1 ) を項ごとに微分する——R \mathbb{R} R 全体で絶対収束しているので正当化される:
d d x exp ( x ) = ∑ k = 1 ∞ k x k − 1 k ! = ∑ k = 1 ∞ x k − 1 ( k − 1 ) ! = ∑ j = 0 ∞ x j j ! = exp ( x ) , \frac{d}{dx}\exp(x) = \sum_{k=1}^{\infty}\frac{k\,x^{k-1}}{k!} = \sum_{k=1}^{\infty}\frac{x^{k-1}}{(k-1)!} = \sum_{j=0}^{\infty}\frac{x^j}{j!} = \exp(x), d x d exp ( x ) = k = 1 ∑ ∞ k ! k x k − 1 = k = 1 ∑ ∞ ( k − 1 )! x k − 1 = j = 0 ∑ ∞ j ! x j = exp ( x ) ,
最後のステップで j = k − 1 j = k - 1 j = k − 1 と置き直した。
exp \exp exp はしたがって自身の導関数だ。これが exp \exp exp の定義的な動的性質であり:exp \exp exp はその現在の値にちょうど比例する速さで増大し、比例定数は 1 1 1 だ。
厳密な単調性
exp ( x ) > 0 \exp(x) > 0 exp ( x ) > 0 がすべての x x x で成り立つから、導関数 ( exp ) ′ ( x ) = exp ( x ) (\exp)'(x) = \exp(x) ( exp ) ′ ( x ) = exp ( x ) は常に正だ。R \mathbb{R} R 全体で導関数が厳密に正な関数は**狭義単調増加(strictly increasing)**になる:x 1 < x 2 x_1 < x_2 x 1 < x 2 ならば exp ( x 1 ) < exp ( x 2 ) \exp(x_1) < \exp(x_2) exp ( x 1 ) < exp ( x 2 ) 。
値域と極限の振る舞い
exp \exp exp の値域は開区間 ( 0 , ∞ ) (0, \infty) ( 0 , ∞ ) だ。
x → + ∞ x \to +\infty x → + ∞ のとき: k = 1 k = 1 k = 1 の項だけでも exp ( x ) ≥ x \exp(x) \geq x exp ( x ) ≥ x (x ≥ 0 x \geq 0 x ≥ 0 のとき)が成り立つので exp ( x ) → + ∞ \exp(x) \to +\infty exp ( x ) → + ∞ 。
x → − ∞ x \to -\infty x → − ∞ のとき: exp ( x ) exp ( − x ) = 1 \exp(x)\,\exp(-x) = 1 exp ( x ) exp ( − x ) = 1 から exp ( x ) = 1 / exp ( − x ) \exp(x) = 1/\exp(-x) exp ( x ) = 1/ exp ( − x ) が得られる。− x → + ∞ -x \to +\infty − x → + ∞ なので exp ( − x ) → + ∞ \exp(-x) \to +\infty exp ( − x ) → + ∞ となり exp ( x ) → 0 + \exp(x) \to 0^+ exp ( x ) → 0 + 。
厳密な正値性とこれらの極限を合わせると、exp \exp exp は ( 0 , ∞ ) (0, \infty) ( 0 , ∞ ) への全射(surjection)であることがわかる:任意の y > 0 y > 0 y > 0 に対して、連続かつ狭義単調増加な exp \exp exp に中間値定理を適用すれば exp ( x ) = y \exp(x) = y exp ( x ) = y を満たす x x x が一意に 存在する。その唯一の x x x が自然対数 ln y \ln y ln y であり、その性質は対数 で展開する。
一般の底の指数関数
ln \ln ln が使えるようになれば、任意の正の底への指数関数を統一的に定義できる。b > 0 b > 0 b > 0 、b ≠ 1 b \neq 1 b = 1 に対して
b x ≔ exp ( x ln b ) (3) b^x \;\coloneqq\; \exp(x \ln b) \tag{3} b x : = exp ( x ln b ) ( 3 )
と定める。加法公式 ( 2 ) (2) ( 2 ) を使えば見慣れた指数法則が直ちに従う:b x + y = exp ( ( x + y ) ln b ) = exp ( x ln b ) exp ( y ln b ) = b x b y b^{x+y} = \exp((x+y)\ln b) = \exp(x\ln b)\,\exp(y\ln b) = b^x b^y b x + y = exp (( x + y ) ln b ) = exp ( x ln b ) exp ( y ln b ) = b x b y 、同様に ( b x ) y = b x y (b^x)^y = b^{xy} ( b x ) y = b x y 。
定義 ( 3 ) (3) ( 3 ) は無理数べきも事後的に確定させる:2 2 = exp ( 2 ln 2 ) 2^{\sqrt{2}} = \exp(\sqrt{2}\ln 2) 2 2 = exp ( 2 ln 2 ) であり、これは級数 ( 1 ) (1) ( 1 ) で与えられた完全に well-defined な実数だ。
ln \ln ln の構成と対数関数の完全な理論は対数 に譲る。
なぜ e e e が自然な底か
連鎖律を使って ( 3 ) (3) ( 3 ) を微分すると:
d d x b x = d d x exp ( x ln b ) = ln b ⋅ exp ( x ln b ) = ln b ⋅ b x . \frac{d}{dx}b^x = \frac{d}{dx}\exp(x \ln b) = \ln b \cdot \exp(x \ln b) = \ln b \cdot b^x. d x d b x = d x d exp ( x ln b ) = ln b ⋅ exp ( x ln b ) = ln b ⋅ b x .
b x b^x b x の導関数は b x b^x b x に定数 ln b \ln b ln b を掛けたものだ。この定数が 1 1 1 に等しくなるのは b = e b = e b = e のときだけ——なぜなら ln e = 1 \ln e = 1 ln e = 1 だからだ。b ≠ e b \neq e b = e の他のすべての底では、微分するたびに避けられない乗数 ln b ≠ 1 \ln b \neq 1 ln b = 1 が現れる。
これが e e e が**自然な底(natural base)**である理由だ:指数関数が余分な定数なしに自身の導関数になる唯一の底だ。b ≠ e b \neq e b = e での b x b^x b x を含む式はいつでも exp ( x ln b ) \exp(x \ln b) exp ( x ln b ) と書き直せ、ln b \ln b ln b の役割が明示されることで e e e が真に基本的な選択であることが確認できる。
まとめ
指数関数 は exp ( x ) ≔ ∑ k = 0 ∞ x k k ! \exp(x) \coloneqq \displaystyle\sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{x^k}{k!} exp ( x ) : = k = 0 ∑ ∞ k ! x k で定義され、比判定法(連続する項の比は ∣ x ∣ / ( k + 1 ) → 0 |x|/(k+1) \to 0 ∣ x ∣/ ( k + 1 ) → 0 )によりすべての x ∈ R x \in \mathbb{R} x ∈ R で絶対収束 する。
exp ( 0 ) = 1 \exp(0) = 1 exp ( 0 ) = 1 および exp ( 1 ) = e \exp(1) = e exp ( 1 ) = e (e e e の級数定義と一致)。
加法公式 :exp ( x + y ) = exp ( x ) exp ( y ) \exp(x+y) = \exp(x)\exp(y) exp ( x + y ) = exp ( x ) exp ( y ) (コーシー積と二項定理を使って証明)。
exp ( x ) > 0 \exp(x) > 0 exp ( x ) > 0 (exp ( x ) exp ( − x ) = 1 \exp(x)\exp(-x) = 1 exp ( x ) exp ( − x ) = 1 が零を排除)。
( exp ) ′ ( x ) = exp ( x ) (\exp)'(x) = \exp(x) ( exp ) ′ ( x ) = exp ( x ) :この関数は自身の導関数 であり、したがって狭義単調増加 。
exp \exp exp の値域 は ( 0 , ∞ ) (0, \infty) ( 0 , ∞ ) ;x → + ∞ x \to +\infty x → + ∞ のとき exp ( x ) → + ∞ \exp(x) \to +\infty exp ( x ) → + ∞ 、x → − ∞ x \to -\infty x → − ∞ のとき exp ( x ) → 0 \exp(x) \to 0 exp ( x ) → 0 。
一般の指数関数 は b x ≔ exp ( x ln b ) b^x \coloneqq \exp(x \ln b) b x : = exp ( x ln b ) (b > 0 b > 0 b > 0 , b ≠ 1 b \neq 1 b = 1 )で定義され、その導関数は ( b x ) ′ = ln b ⋅ b x (b^x)' = \ln b \cdot b^x ( b x ) ′ = ln b ⋅ b x 。
自然な底 e e e は ( b x ) ′ = b x (b^x)' = b^x ( b x ) ′ = b x が余分な定数なしに成立する唯一の底だ。