対数

Basis
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指数関数では exp:R(0,)\exp : \mathbb{R} \to (0, \infty) が狭義単調増加かつ (0,)(0, \infty) への全射であることを示した。狭義単調増加な関数は自動的に単射だから、exp\exp は全単射(bijection)になる——つまり一意な逆関数をもつ。その逆関数が解析学全体を通じて最も有用な関数の一つだ。

自然対数

定義。 自然対数(natural logarithm) ln:(0,)R\ln : (0, \infty) \to \mathbb{R}exp\exp の逆関数として定義する。すなわち:

ln(exp(x))=xすべての xR に対して,(1)\ln(\exp(x)) = x \qquad \text{すべての } x \in \mathbb{R} \text{ に対して,} \tag{1} exp(ln(y))=yすべての y>0 に対して.(2)\exp(\ln(y)) = y \qquad \text{すべての } y > 0 \text{ に対して.} \tag{2}

直感的には、ln(y)\ln(y) は「ee を何乗すれば yy が得られるか?」という問いに答える。exp\expR\mathbb{R}(0,)(0, \infty) に全単射させるから、この問いは常に一意な答えをもつ。

すぐわかる値

定義と exp\exp について知っていることから:

  • ln(1)=0\ln(1) = 0exp(0)=1\exp(0) = 1 より)。
  • ln(e)=1\ln(e) = 1exp(1)=e\exp(1) = e より)。
  • 任意の nZn \in \mathbb{Z} に対して ln(en)=n\ln(e^n) = nexp(n)=en\exp(n) = e^n より)。

これら3点は暗記する価値がある——電卓なしに ln\ln について素早く推論できるようになる。

対数の積の法則

定理(積の法則)。 すべての x,y>0x, y > 0 に対して:

ln(xy)=lnx+lny.(3)\ln(xy) = \ln x + \ln y. \tag{3}

証明。 alnxa \coloneqq \ln xblnyb \coloneqq \ln y と置く——すなわち exp(a)=x\exp(a) = xexp(b)=y\exp(b) = y。指数関数の加法公式 exp(a+b)=exp(a)exp(b)\exp(a + b) = \exp(a)\exp(b) より:

xy=exp(a)exp(b)=exp(a+b).xy = \exp(a) \cdot \exp(b) = \exp(a + b).

両辺に ln\ln を適用し恒等式 (1)(1) を使うと:

ln(xy)=ln(exp(a+b))=a+b=lnx+lny.\ln(xy) = \ln(\exp(a + b)) = a + b = \ln x + \ln y. \qquad \square

直感的には ln\ln は乗算を加算に変換する——電卓が登場するずっと前に対数表を算術に欠かせないものにした、まさにその性質だ。

(3)(3) から2つの系が直ちに得られる。y=1/xy = 1/x と置けば ln(1/x)=lnx\ln(1/x) = -\ln xy=xy = x と置けば ln(x2)=2lnx\ln(x^2) = 2\ln x。実はすべての実数指数に対して完全なべきの法則が成立する。

対数のべきの法則

定理(べきの法則)。 すべての x>0x > 0rRr \in \mathbb{R} に対して:

ln(xr)=rlnx.(4)\ln(x^r) = r\ln x. \tag{4}

証明の概略。 r=nNr = n \in \mathbb{N} の場合、積の法則 (3)(3) を繰り返し適用する:

ln(xn)=ln(xxxn 個)=lnx+lnx++lnxn 個=nlnx.\ln(x^n) = \ln(\underbrace{x \cdot x \cdots x}_{n\text{ 個}}) = \underbrace{\ln x + \ln x + \cdots + \ln x}_{n\text{ 個}} = n\ln x.

r=p/qr = p/qqN+q \in \mathbb{N}^+)の有理数の場合、qln(xp/q)=ln((xp/q)q)=ln(xp)=plnxq \cdot \ln(x^{p/q}) = \ln((x^{p/q})^q) = \ln(x^p) = p\ln x より ln(xp/q)=pqlnx\ln(x^{p/q}) = \tfrac{p}{q}\ln x。任意の実数 rr への拡張は ln\ln の連続性による。\square

べきの法則 (4)(4) は指数計算を乗算に変換する——(3)(3) が乗算を加算に変換したのと同様に。

ln\ln の導関数

定理。 すべての x>0x > 0 に対して:

ddxlnx=1x.(5)\frac{d}{dx}\ln x = \frac{1}{x}. \tag{5}

証明。 y=lnxy = \ln x と置く——すなわち x=exp(y)x = \exp(y)xx に関して両辺を**逆関数定理(inverse function theorem)**を使って微分する:

1=ddxexp(y)=exp(y)dydx=xdydx.1 = \frac{d}{dx}\exp(y) = \exp(y) \cdot \frac{dy}{dx} = x \cdot \frac{dy}{dx}.

dydx\frac{dy}{dx} について解くと:

dydx=1x.\frac{dy}{dx} = \frac{1}{x}. \qquad \square

これは印象的な結果だ:ln\ln のグラフの点 xx での傾きは単純に 1/x1/x であり、余分な乗数も関数もない。

単調性と境界での振る舞い

(lnx)=1/x>0(\ln x)' = 1/x > 0x>0x > 0 のとき)だから、ln\ln は定義域 (0,)(0, \infty) 全体で狭義単調増加だ。

2つの境界点での振る舞いは exp\exp との関係から直接従う:

limxlnx=+,limx0+lnx=.\lim_{x \to \infty} \ln x = +\infty, \qquad \lim_{x \to 0^+} \ln x = -\infty.

最初の極限は t+t \to +\infty のとき exp(t)+\exp(t) \to +\infty だからその逆関数も限りなく増大することによる。2番目は tt \to -\infty のとき exp(t)0\exp(t) \to 0 による。合わせて ln\ln(0,)(0, \infty) から R\mathbb{R} 全体への全単射であることが確認できる——これは exp\expR\mathbb{R}(0,)(0, \infty) に全単射させるという事実の鏡像だ。

積分としての自然対数

ln\ln に到達する第2の方法があり、こちらは導関数の公式 (5)(5) を最初から透明にしてくれる。次を定義する:

L(x)1x1tdt(x>0).(6)L(x) \coloneqq \int_1^x \frac{1}{t}\,dt \qquad (x > 0). \tag{6}

微積分学の基本定理より L(x)=1/xL'(x) = 1/x かつ L(1)=0L(1) = 0LLln\ln と同じ積の法則を満たすことを検証でき(積分の変数変換による)、2つの連続関数が x=1x = 1 で一致し同じ導関数をもつから、両者は同一だ:

lnx=1x1tdt.\ln x = \int_1^x \frac{1}{t}\,dt.

この積分表示を ln\ln定義として採用し、1e1tdt=1\int_1^e \frac{1}{t}\,dt = 1 を満たす唯一の e>0e > 0 としてネイピア数を回収する流儀もある。

対数を通じた一般の指数関数

ln\ln が使えるようになれば、任意の底 b>0b > 0任意の実数指数 xRx \in \mathbb{R}(無理数を含む)に対して bxb^x を定義できる。

定義。 b>0b > 0 に対して:

bx    exp(xlnb).(7)b^x \;\coloneqq\; \exp(x \ln b). \tag{7}

xx が有理数 p/qp/q のとき、これは bp/qb^{p/q} の通常の算術的な意味と一致する(べきの法則 (4)(4) を使って確認できる)。定義 (7)(7) はこれをすべての実数指数にシームレスに拡張する。

導関数。 連鎖律で (7)(7) を微分すると:

ddxbx=exp(xlnb)lnb=(lnb)bx.\frac{d}{dx}\,b^x = \exp(x \ln b) \cdot \ln b = (\ln b)\,b^x.

余分な因子 lnb\ln bbxb^xexe^x を区別するものだ:b=eb = e のとき lne=1\ln e = 1 となって因子が消える——これがまさに ee が「自然な」底である理由だ。

任意の底への対数

定義。 b>0b > 0b1b \neq 1 として、bb の対数を:

logb(x)    lnxlnb(x>0)(8)\log_b(x) \;\coloneqq\; \frac{\ln x}{\ln b} \qquad (x > 0) \tag{8}

で定義する。

この定義により logb(x)=y\log_b(x) = yby=xb^y = x と同値だ((7)(7) を代入して確認できる)——学校代数で慣れ親しんだ意味と一致する。

底の変換公式

定義 (8)(8) より、任意の2つの有効な底 aabb に対して:

loga(x)=lnxlna=lnxlnblnblna=logb(x)1logb(a).\log_a(x) = \frac{\ln x}{\ln a} = \frac{\ln x}{\ln b} \cdot \frac{\ln b}{\ln a} = \log_b(x) \cdot \frac{1}{\log_b(a)}.

同値な表し方をすると:

loga(x)=logb(x)logb(a).\log_a(x) = \frac{\log_b(x)}{\log_b(a)}.

実用的には、科学用電卓は log10\log_{10}(常用対数)と ln\ln を提供している。**底の変換公式(change-of-base formula)**を使えばどちらか一方から任意の他の底の対数に到達できる。

まとめ

  • 自然対数 ln:(0,)R\ln : (0, \infty) \to \mathbb{R}exp\exp の逆関数:ln(exp(x))=x\ln(\exp(x)) = x かつ exp(lny)=y\exp(\ln y) = y
  • 主要な値:ln1=0\ln 1 = 0lne=1\ln e = 1、すべての nZn \in \mathbb{Z} に対して ln(en)=n\ln(e^n) = n
  • 積の法則: ln(xy)=lnx+lny\ln(xy) = \ln x + \ln y(加法公式 exp(a+b)=exp(a)exp(b)\exp(a+b) = \exp(a)\exp(b) から導かれる)。
  • べきの法則: ln(xr)=rlnx\ln(x^r) = r\ln x(すべての rRr \in \mathbb{R}x>0x > 0 に対して)。
  • 導関数: (lnx)=1/x(\ln x)' = 1/x(逆関数定理で証明)。
  • ln\ln(0,)(0, \infty) 上で狭義単調増加;xx \to \infty のとき lnx+\ln x \to +\inftyx0+x \to 0^+ のとき lnx\ln x \to -\infty
  • 積分表示: lnx=1x1tdt\ln x = \int_1^x \frac{1}{t}\,dt(導関数の公式を出発点とする別の定義)。
  • 一般の指数関数: bxexp(xlnb)b^x \coloneqq \exp(x \ln b)、導関数は (lnb)bx(\ln b)\,b^x
  • bb の対数: logb(x)lnxlnb\log_b(x) \coloneqq \frac{\ln x}{\ln b}底の変換公式loga(x)=logb(x)logb(a)\log_a(x) = \frac{\log_b(x)}{\log_b(a)}