指数関数では exp:R→(0,∞) が狭義単調増加かつ (0,∞) 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 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 を exp の逆関数として定義する。すなわち:
ln(exp(x))=xすべての x∈R に対して,(1)
exp(ln(y))=yすべての y>0 に対して.(2)
直感的には、ln(y) は「e を何乗すれば y が得られるか?」という問いに答える。exp が R を (0,∞) 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 について知っていることから:
- ln(1)=0(exp(0)=1 より)。
- ln(e)=1(exp(1)=e より)。
- 任意の n∈Z に対して ln(en)=n(exp(n)=en より)。
これら3点は暗記する価値がある——電卓なしに 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>0 に対して:
ln(xy)=lnx+lny.(3)
証明。 a:=lnx、b:=lny と置く——すなわち exp(a)=x、exp(b)=y。指数関数の加法公式 exp(a+b)=exp(a)exp(b) より:
xy=exp(a)⋅exp(b)=exp(a+b).
両辺に ln を適用し恒等式 (1) を使うと:
ln(xy)=ln(exp(a+b))=a+b=lnx+lny.□
直感的には 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) から2つの系が直ちに得られる。y=1/x と置けば ln(1/x)=−lnx。y=x と置けば ln(x2)=2lnx。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>0 と r∈R に対して:
ln(xr)=rlnx.(4)
証明の概略。 r=n∈N の場合、積の法則 (3) を繰り返し適用する:
ln(xn)=ln(n 個x⋅x⋯x)=n 個lnx+lnx+⋯+lnx=nlnx.
r=p/q(q∈N+)の有理数の場合、q⋅ln(xp/q)=ln((xp/q)q)=ln(xp)=plnx より ln(xp/q)=qplnx。任意の実数 r への拡張は ln の連続性による。□
べきの法則 (4) は指数計算を乗算に変換する——(3) が乗算を加算に変換したのと同様に。
ln の導関数
定理。 すべての x>0 に対して:
dxdlnx=x1.(5)
証明。 y=lnx と置く——すなわち x=exp(y)。x に関して両辺を**逆関数定理(inverse function theorem)**を使って微分する:
1=dxdexp(y)=exp(y)⋅dxdy=x⋅dxdy.
dxdy について解くと:
dxdy=x1.□
これは印象的な結果だ:ln のグラフの点 x での傾きは単純に 1/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(x>0 のとき)だから、ln は定義域 (0,∞) 全体で狭義単調増加だ。
2つの境界点での振る舞いは exp との関係から直接従う:
x→∞limlnx=+∞,x→0+limlnx=−∞.
最初の極限は t→+∞ のとき exp(t)→+∞ 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 t→−∞ のとき exp(t)→0 による。合わせて ln が (0,∞) から R 全体への全単射であることが確認できる——これは exp が R を (0,∞) 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 に到達する第2の方法があり、こちらは導関数の公式 (5) を最初から透明にしてくれる。次を定義する:
L(x):=∫1xt1dt(x>0).(6)
微積分学の基本定理より L′(x)=1/x かつ L(1)=0。L が 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=1 で一致し同じ導関数をもつから、両者は同一だ:
lnx=∫1xt1dt.
この積分表示を ln の定義として採用し、∫1et1dt=1 を満たす唯一の e>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 が使えるようになれば、任意の底 b>0 と任意の実数指数 x∈R(無理数を含む)に対して bx を定義できる。
定義。 b>0 に対して:
bx:=exp(xlnb).(7)
x が有理数 p/q のとき、これは bp/q の通常の算術的な意味と一致する(べきの法則 (4) を使って確認できる)。定義 (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) を微分すると:
dxdbx=exp(xlnb)⋅lnb=(lnb)bx.
余分な因子 lnb が bx と ex を区別するものだ:b=e のとき lne=1 となって因子が消える——これがまさに e が「自然な」底である理由だ。
任意の底への対数
定義。 b>0、b=1 として、底 b の対数を:
logb(x):=lnblnx(x>0)(8)
で定義する。
この定義により logb(x)=y は by=x と同値だ((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) より、任意の2つの有効な底 a と b に対して:
loga(x)=lnalnx=lnblnx⋅lnalnb=logb(x)⋅logb(a)1.
同値な表し方をすると:
loga(x)=logb(a)logb(x).
実用的には、科学用電卓は log10(常用対数)と 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 は exp の逆関数:ln(exp(x))=x かつ exp(lny)=y。
- 主要な値:ln1=0、lne=1、すべての n∈Z に対して ln(en)=n。
- 積の法則: ln(xy)=lnx+lny(加法公式 exp(a+b)=exp(a)exp(b) から導かれる)。
- べきの法則: ln(xr)=rlnx(すべての r∈R と x>0 に対して)。
- 導関数: (lnx)′=1/x(逆関数定理で証明)。
- ln は (0,∞) 上で狭義単調増加;x→∞ のとき lnx→+∞、x→0+ のとき lnx→−∞。
- 積分表示: lnx=∫1xt1dt(導関数の公式を出発点とする別の定義)。
- 一般の指数関数: bx:=exp(xlnb)、導関数は (lnb)bx。
- 底 b の対数: logb(x):=lnblnx;底の変換公式は loga(x)=logb(a)logb(x)。