指数関数 指数関数の概要

指数関数

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2013/05/11 19:03 UTC 版)

底がe である指数関数(グラフの1マスは1)

定義

正の実数 a を底とする指数関数 a^x\, は、次の公理から一意に定まる関数として定義される。

  • a^x\, は、R から (0, ∞) への連続関数
  • a^1=a\,
  • a^{p+q}=a^pa^q\,

指数関数の値 ap において、指数 p自然数(あるいは有理数)であるとき、これは a冪乗に一致する。冪乗を適当な方法を用いて拡張することにより、指数関数を定義することも可能である。

微分

底がネイピア数 e である指数関数 ex の導関数は、ex 自身となる。ex を exp x と書いたりもする。任意の指数関数 ax自然対数 ln を用いて、exp(ln(a)x) と表現できる。したがって、一般の指数関数 ax導関数は (ln a)ax となる。

exp(x) は、微分方程式 dy/dx = y の特殊解に他ならない。これは逆に、微分方程式 dy/dx = yy(0) = 1 を満たす初期値問題の解として指数関数を定義することができることをも意味している。

解析学の分野では、指数関数といえば、主にネイピア数であるもののみを指す。

一般化

複素変数への拡張

exp x の微分性質より、これをマクローリン展開すると、

\exp x = \sum^{\infin}_{n=0}\frac{1}{n!}x^n

となることから、定義域を、任意の実数から、複素数全体へと拡張することが出来る。 exp(ix) を、cis x と書き、複素指数関数と呼ぶ。ここで i虚数単位である。 exp x のマクローリン展開より、

{\rm cis} \ x = \sum^{\infin}_{n=0}(-1)^n\frac{1}{(2n)!}x^{2n} + i\sum^{\infin}_{n=0}(-1)^n\frac{1}{(2n+1)!}x^{2n+1}

と書けるが、右辺の第 1 項は cos x のマクローリン展開、第 2 項は sin x のマクローリン展開に i を乗じたものに他ならない。即ち、cis x = cos x + isin x。複素指数関数は、三角関数に関する和として表現できるのである。 任意の複素数 z は、z = x+iy (x,yR) と表現できるから、

\exp z = \exp(x + iy) = \exp x\cdot \exp iy = \exp x(\cos y + i\sin y)

これこそが、指数関数の定義域を複素数全体に拡張したものである。この逆関数として、複素変数の対数関数を定義することもできる。こうして定義される対数関数 ln z

{\rm ln}\,z = \int_1^z {dz \over z}

として定義される複素関数 ln z と一致する。

一般の複素数 α を底とし、複素変数 z を指数とする指数関数は、複素変数の対数関数 ln z に対して、ln α が定義される限りにおいて

\alpha^z = e^{z\,{\rm ln}\,\alpha}

とおくことにより定義することができる。これは ln z の多価性により一般には多価関数となる。ただし、ez については exp(z ln e) のこととは解さず、ez = exp(z) と理解するのが一般的であるようである。

複素変数への拡張は他にも方法があり、マクローリン展開を用いずに微分の自己再帰性と初期条件だけを与えた正則関数を考えても同じ結論を得る事ができる。

行列の指数関数

上記のテイラー展開x に任意の正方行列 X を代入することにより、行列の指数関数 exp X が定義される。

とくに、Xn 次実一般線型群 GL(n, R) のリー環 gl(n, R) すなわち n 次の実正方行列全体を亘るとすれば、この指数関数 exp: gl(n, R) → GL(n, R) はリー環からリー群への指数写像の一つの例を与える。

二重指数関数

Double exponential function。2種類の定義がある。

  1. 2つの指数関数の項からなる関数。f(x) = \exp(ax) - \exp(bx)など。
  2. f(x) = a^{b^x}の形で表現される関数。



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