指数関数

Basis
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nn が正整数のとき ana^n の意味はわかっている——aann 回掛け合わせるだけだ。これを負の整数(an=1/ana^{-n} = 1/a^n)や有理数の指数(ap/q=apqa^{p/q} = \sqrt[q]{a^p})に拡張することもできる。では 222^{\sqrt{2}}eπe^{\pi} 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 xx に対して axa^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

a>0a > 0 を固定すれば整数べきは明確であり、有理数べき ap/q(aq)pa^{p/q} \coloneqq (\sqrt[q]{a})^p は見慣れた指数法則 ar+s=arasa^{r+s} = a^r a^s および (ar)s=ars(a^r)^s = a^{rs} を満たす。

無理数xx への拡張はより難しい。実数において Q\mathbb{Q}R\mathbb{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 rnxr_n \to x を選んで axlimnarna^x \coloneqq \lim_{n \to \infty} 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 tatt \mapsto 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 xRx \in \mathbb{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 ⁣:RR\exp \colon \mathbb{R} \to \mathbb{R} をべき級数

exp(x)k=0xkk!=1+x+x22!+x33!+(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}

で定義する。

(1)(1) の部分和は xx の多項式であり(多項式関数)、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) を使う前に、すべての実数 xx 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

xk+1/(k+1)!xk/k!=xk+1\left\lvert\frac{x^{k+1}/(k+1)!}{x^k/k!}\right\rvert = \frac{|x|}{k+1}

固定した xRx \in \mathbb{R} に対してこの比は kk \to \infty のとき 00 に収束する(分母は限りなく増大する)。0<10 < 1 だから比判定法により xRx \in \mathbb{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。

ee との一致

最も単純な2点での評価を確認すると、exp\expネイピア数 eeで導入した定数 ee と一致することがわかる:

  • x=0x = 0 のとき:   exp(0)=k=00kk!=1\;\exp(0) = \displaystyle\sum_{k=0}^{\infty} \frac{0^k}{k!} = 1(慣例として 0010^0 \coloneqq 1)。
  • x=1x = 1 のとき:   exp(1)=k=01k!=10!+11!+12!+=e,\;\exp(1) = \displaystyle\sum_{k=0}^{\infty} \frac{1}{k!} = \frac{1}{0!} + \frac{1}{1!} + \frac{1}{2!} + \cdots = e,

ここで最後の等式はネイピア数 eeで確立した ee の級数表示だ。

exp\exp010 \mapsto 11e1 \mapsto e と対応させ、exe^xexp(x)\exp(x) の代替記法として使うことは ee のすべての整数べきと整合する。

加法公式

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,yR 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}

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=0xjj!) ⁣(k=0ykk!)=n=0j=0nxjj!ynj(nj)!.\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)!}.

内側の和から 1n!\tfrac{1}{n!} を括り出し、**二項定理(binomial theorem)**を適用する:

j=0nxjynjj!(nj)!=1n!j=0n(nj)xjynj=(x+y)nn!\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!}

よって exp(x)exp(y)=n=0(x+y)nn!=exp(x+y)\exp(x)\,\exp(y) = \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\dfrac{(x+y)^n}{n!} = \exp(x+y)

(2)(2)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=0y = 0 と置けば exp(x)1=exp(x)\exp(x) \cdot 1 = \exp(x) が回収でき、y=xy = -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 xRx \in \mathbb{R} に対して exp(x)>0\exp(x) > 0

証明。 (2)(2)y=xy = -x と置くと exp(x)exp(x)=exp(0)=1\exp(x)\,\exp(-x) = \exp(0) = 1。よって exp(x)\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 であり 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。 ddxexp(x)=exp(x)\dfrac{d}{dx}\exp(x) = \exp(x)

証明。 (1)(1) を項ごとに微分する——R\mathbb{R} 全体で絶対収束しているので正当化される:

ddxexp(x)=k=1kxk1k!=k=1xk1(k1)!=j=0xjj!=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),

最後のステップで j=k1j = k - 1 と置き直した。

exp\exp はしたがって自身の導関数だ。これが exp\exp の定義的な動的性質であり: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 11 だ。

厳密な単調性

exp(x)>0\exp(x) > 0 がすべての xx で成り立つから、導関数 (exp)(x)=exp(x)(\exp)'(x) = \exp(x) は常に正だ。R\mathbb{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:x1<x2x_1 < x_2 ならば exp(x1)<exp(x2)\exp(x_1) < \exp(x_2)

値域と極限の振る舞い

exp\exp の値域は開区間 (0,)(0, \infty) だ。

  • x+x \to +\infty のとき: k=1k = 1 の項だけでも exp(x)x\exp(x) \geq xx0x \geq 0 のとき)が成り立つので exp(x)+\exp(x) \to +\infty
  • xx \to -\infty のとき: exp(x)exp(x)=1\exp(x)\,\exp(-x) = 1 から exp(x)=1/exp(x)\exp(x) = 1/\exp(-x) が得られる。x+-x \to +\infty なので exp(x)+\exp(-x) \to +\infty となり exp(x)0+\exp(x) \to 0^+

厳密な正値性とこれらの極限を合わせると、exp\exp(0,)(0, \infty) への全射(surjection)であることがわかる:任意の y>0y > 0 に対して、連続かつ狭義単調増加な exp\exp に中間値定理を適用すれば exp(x)=y\exp(x) = y を満たす xx一意に存在する。その唯一の xx自然対数 lny\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 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>0b > 0b1b \neq 1 に対して

bx    exp(xlnb)(3)b^x \;\coloneqq\; \exp(x \ln b) \tag{3}

と定める。加法公式 (2)(2) を使えば見慣れた指数法則が直ちに従う:bx+y=exp((x+y)lnb)=exp(xlnb)exp(ylnb)=bxbyb^{x+y} = \exp((x+y)\ln b) = \exp(x\ln b)\,\exp(y\ln b) = b^x b^y、同様に (bx)y=bxy(b^x)^y = b^{xy}

定義 (3)(3) は無理数べきも事後的に確定させる:22=exp(2ln2)2^{\sqrt{2}} = \exp(\sqrt{2}\ln 2) であり、これは級数 (1)(1) で与えられた完全に well-defined な実数だ。

ln\ln の構成と対数関数の完全な理論は対数に譲る。

なぜ ee が自然な底か

連鎖律を使って (3)(3) を微分すると:

ddxbx=ddxexp(xlnb)=lnbexp(xlnb)=lnbbx.\frac{d}{dx}b^x = \frac{d}{dx}\exp(x \ln b) = \ln b \cdot \exp(x \ln b) = \ln b \cdot b^x.

bxb^x の導関数は bxb^x に定数 lnb\ln b を掛けたものだ。この定数が 11 に等しくなるのは b=eb = e のときだけ——なぜなら lne=1\ln e = 1 だからだ。beb \neq 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 lnb1\ln b \neq 1 が現れる。

これが ee 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。beb \neq e での bxb^x を含む式はいつでも exp(xlnb)\exp(x \ln b) と書き直せ、lnb\ln b の役割が明示されることで ee 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exp(x)k=0xkk!\exp(x) \coloneqq \displaystyle\sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{x^k}{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)によりすべての xRx \in \mathbb{R}絶対収束する。
  • exp(0)=1\exp(0) = 1 および exp(1)=e\exp(1) = eee 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)(コーシー積と二項定理を使って証明)。
  • exp(x)>0\exp(x) > 0exp(x)exp(x)=1\exp(x)\exp(-x) = 1 が零を排除)。
  • (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値域(0,)(0, \infty)x+x \to +\infty のとき exp(x)+\exp(x) \to +\inftyxx \to -\infty のとき exp(x)0\exp(x) \to 0
  • 一般の指数関数bxexp(xlnb)b^x \coloneqq \exp(x \ln b)b>0b > 0, b1b \neq 1)で定義され、その導関数は (bx)=lnbbx(b^x)' = \ln b \cdot b^x
  • 自然な底 ee(bx)=bx(b^x)' = b^x が余分な定数なしに成立する唯一の底だ。