指數函數

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指數函數對於x的負數值非常平坦,對於x的正數值迅速攀升,在x等於0的時候等於1。它的y值總是等於在這一點上的斜率

指數函數數學中重要的函數。應用到值x上的這個函數寫為exp(x)。還可以等價的寫為ex,這裡的e是數學常數,就是自然對數的底數,近似等於2.718281828,還叫做歐拉數。

作為實數變數x的函數,y=ex圖像總是正的(在x軸之上)並遞增(從左向右看)。它永不觸及x軸,儘管它可以任意程度的靠近它,即x軸是這個圖像的水平漸近線。一般的說,變數x可以是任何實數或複數,甚至是完全不同種類的數學對象。它的反函數是定義在所有正數x上的自然對數ln(x)。

本文集中於帶有底數為歐拉數e的指數函數。有時,特別是在科學中,術語指數函數更一般性的用於形如kbx的函數,這裡的b叫做「底數」,是不等於1的任何正實數

概要[編輯]

最簡單的說,指數函數按恆定速率翻倍。例如細菌培養時細菌總數(近似的)每三個小時翻倍,和汽車的價值每年減少10%都可以被表示為一個指數。特別是複利,事實上就是它導致了雅各布·伯努利在1683年介入了現在叫做 e 的數[1]

\lim_{n \to \infty} \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n

後來約翰·伯努利在1697年研究了指數函數的微積分。[1]

設 1 份借貸有 x 利率,逐月複利話,則每月增加當前值的 x/12 倍,每月總值都要乘以 (1+x/12),一年的總值為 (1+x/12)12,逐日複利的話,就是 (1+x/365)365[2]。設年中時段數可為無限,則有如下最初由歐拉提出[3]的指數函數定義:

\exp(x) = \lim_{n\to\infty}\left(1 + \frac{x}{n}\right)^{n}

指數函數有基本的指數恆等式,

\exp(x + y) = \exp(x) \cdot \exp(y)

這是它寫為 ex 的原因[4]

雅各布·伯努利之前,約翰·納皮爾在1614年[5]以及Jost Bürgi英語Jost Bürgi在6年後[6],分別發表了獨立編制的對數表,當時通過對接近1的底數的大量乘運算,來找到指定範圍和精度的對數和所對應的真數,當時還沒出現有理數冪的概念,直到1742年William Jones英語William Jones (mathematician)才發表了現在的冪指數概念[7]。按後世的觀點,Jost Bürgi的底數1.000110000相當接近自然對數的底數 e,而約翰·納皮爾的底數0.9999999910000000相當接近 1/e[8]。實際上不需要做開高次方這種艱難運算,約翰·納皮爾用了20年時間進行相當於數百萬次乘法的計算,Henry Briggs英語Henry Briggs (mathematician)建議納皮爾改用10為底數未果,他用自己的方法[9]於1624年部份完成了常用對數表的編制。

形式定義[編輯]

指數函數(藍色),冪級數的前n+1項的和(紅色)。

指數函數ex可以用各種等價的方式定義。特別是它可以定義為冪級數

e^x = \sum_{n = 0}^{\infty} {x^n \over n!} = 1 + x + {x^2 \over 2!} + {x^3 \over 3!} + {x^4 \over 4!} + \cdots

序列的極限

e^x = \lim_{n \to \infty} \left( 1 + {x \over n} \right)^n.

在這些定義中,n!表示n階乘,而x可以是任何實數複數、和巴拿赫代數的元素。

x\geq0 是確定的非負實數。定義

t_n=\left(1+\frac{x}{n}\right)^n,\ s_n = \sum_{k=0}^n\frac{x^k}{k!}.

二項式定理


\begin{align}
t_n & =\sum_{k=0}^n{n \choose k}\frac{x^k}{n^k}=1+x+\sum_{k=2}^n\frac{n(n-1)(n-2)\cdots(n-(k-1))x^k}{k!\,n^k} \\[8pt]
& = 1+x+\frac{x^2}{2!}\left(1-\frac{1}{n}\right)+\frac{x^3}{3!}\left(1-\frac{1}{n}\right)\left(1-\frac{2}{n}\right)+\cdots \\[8pt]
& {}\qquad \cdots +\frac{x^n}{n!}\left(1-\frac{1}{n}\right)\cdots\left(1-\frac{n-1}{n}\right)\le s_n
\end{align}

(設 x ≥ 0 得到最終的不等式)故此

\limsup_{n\to\infty}t_n \le \limsup_{n\to\infty}s_n = e^x

可證明當 n 趨於無窮大時上述二定義等價。這些定義的進一步解釋和它們的等價性的證明,參見文章指數函數的特徵描述英語Characterizations of the exponential function

性質[編輯]

y = bx對各種底數b的圖像,分別為綠色的10、紅色的e、藍色的2和青色的1/2。

從指數函數的定義:

e^x = \lim_{n\to\infty}\left(1 + \frac{x}{n}\right)^{n}

可得出它有運算的「指數定律」:

\!\, e^0 = 1
\!\, e^1 = e
\!\, e^{x + y} =  e^x e^y
\!\, e^{x y} = \left( e^x \right)^y
\!\, e^{-x} = {1 \over e^x}

它們對所有實數xy都是有效的。

因為在指數函數的定義中 x 是實數,可以使用自然對數,把更一般的指數函數,即正實數的實數函數定義為

\!\, b^x=(e^{\ln b})^x=e^{x \ln b}.

定義於所有的b > 0,和所有的實數x。它叫做「底數為b的指數函數」。從而拓展了通過乘方方根運算定義的正實數的有理數冪函數:

b^\frac{m}{n} = \sqrt[n]{b^m}.

而方根運算可通過自然對數和指數函數來表示

 \sqrt[n]{x} = x^\frac{1}{n} = e^{\frac {\ln x}{n}}.

介入數e的根本動機,特別是在微積分中,是通過指數函數和對數來進行導數積分運算。[10] 一般指數函數 y = bx極限形式的導數:

\frac{d}{dx}b^x=\lim_{h\to 0}\frac{b^{x+h}-b^x}{h}=\lim_{h\to 0}\frac{b^{x}b^{h}-b^x}{h}=b^x\left(\lim_{h\to 0}\frac{b^h-1}{h}\right).

最右端的極限無關於變量 x:它依賴於底數 b 而是常量[11]。根據求導的鏈式法則

\frac{d}{dx} \left(1 + \frac{x}{n}\right)^n = \left(1 + \frac{x}{n}\right)^{n-1}.

當這個底數是e[4],這個常量等於1[12],因此有:

\frac{d}{dx}e^x = e^x.

導數和微分方程[編輯]

指數函數的導數等於這個函數的值。從在藍色曲線上任意一點 P,繪製紅色切線,和高度為 h 的垂直豎線,與在 x 軸上的底邊 b 形成了一個直角三角形。因為在 P 上的紅色切線的斜率(導數)等於這個三角形的高度與底邊長度的比,而導數等於這個函數的值,h 必須等於 hb 之比。因此底邊 b 必須總是 1

指數函數在數學和科學中的重要性主要源於它的導數的性質。特別是

{d \over dx} e^x = e^x

就是說,ex是它自己的導數。這可以用泰勒級數證明:

\begin{align}
e ^ x & = 1 + x + \frac{x ^ 2}{2!} + \frac{x ^ 3}{3!} + \frac{x ^ 4}{4!} + \frac{x ^ 5}{5!} + \cdots \\
{d \over dx} e^x & = {d \over dx} \left(1 + x + \frac{x ^ 2}{2!} + \frac{x ^ 3}{3!} + \frac{x ^ 4}{4!} + \frac{x ^ 5}{5!} + \cdots \right) \\
& = 0 + 1 + \frac{2x}{2!} + \frac{3x ^ 2}{3!} + \frac{4x ^ 3}{4!} + \frac{5x ^ 4}{5!} +\cdots \\
& = 1 + x + \frac{x ^ 2}{2!} + \frac{x ^ 3}{3!} + \frac{x ^ 4}{4!} + \frac{x ^ 5}{5!} + \cdots \\
& = e ^ x \\
\end{align}

對於常數K的形如Kex的函數是唯一有這個性質的函數(這得出自皮卡-林德洛夫定理[13])。其他等價說法有:

  • 函數的圖像的在任何一點上的斜率是這個函數在這一點上的高度。
  • 函數在x的增長速率等於在這個函數在x上的值。
  • 這個函數是微分方程y'=y的解。
  • exp是泛函導數不動點

事實上,很多不同的方程引髮指數函數,包括薛丁格方程拉普拉斯方程簡單諧波運動的方程。

對於有其他底數的指數函數:

{d \over dx} b^x = (\ln b) b^x

所以任何指數函數都是它自己導數的常數倍。

如果一個變數的增長或衰減速率是與它的大小成比例的,比如在無限制情況下的人口增長、複利放射性衰變,則這個變數可以寫為常數倍的時間的指數函數。

進一步的,對任何可微函數f(x),我們可以通過鏈式法則找到:

{d \over dx} e^{f(x)} = f'(x)e^{f(x)}.

ex的連分數[編輯]

通過歐拉連分數公式得到ex連分數


  e^x = 1 + \cfrac{x}{1 - \cfrac{x}{x + 2 - \cfrac{2x}{x + 3 - \cfrac{3x}{x + 4 - \ddots}}}}

ez廣義連分數收斂更快速:[14]


  e^z = 1 + \cfrac{2z}{2 - z + \cfrac{z^2}{6 + \cfrac{z^2}{10 + \cfrac{z^2}{14 + \ddots}}}}

或者,替換 z = xy:


  e^\frac{x}{y} = 1 + \cfrac{2x}{2y - x + \cfrac{x^2} {6y + \cfrac{x^2} {10y + \cfrac{x^2} {14y + \ddots}}}}

有特殊情況 z = 2:


  e^2 = 1 + \cfrac{4}{0 + \cfrac{2^2}{6 + \cfrac{2^2}{10 + \cfrac{2^2}{14 + \ddots\,}}}} = 7 + \cfrac{2}{5 + \cfrac{1}{7 + \cfrac{1}{9 + \cfrac{1}{11 + \ddots\,}}}}

在複平面上[編輯]

指數函數ez可以定義為(1 + z/n)nn趨於無窮時的極限。在本動畫中,z=/3n選取從1增到100的各種值。(1 + z/n)n的計算顯示為在複平面n次乘法的組合效果。隨著n變大,這些點趨近於複平面單位圓,覆及π/3弧度的角度。

如同在實數情況下,在複平面的指數函數可以用多種等價方式定義。比如冪級數形式的:

e^z = \sum_{n = 0}^\infty\frac{z^n}{n!}

或者序列的極限

e^z = \lim_{n\rightarrow\infty} \left(1+\frac{z}{n}\right)^n

它帶有虛數周期2 \pi i[prove 1],它可以寫為

\!\, e^{a + bi} = e^a (\cos b + i \sin b)

這裡的ab是實數值。參見歐拉公式,這個公式把指數函數和三角函數雙曲函數聯繫起來了。

在考慮定義在複平面上的函數的時候,指數函數擁有重要的性質

  • \!\, e^{z + w} = e^z e^w
  • \!\, e^0 = 1
  • \!\, e^z \ne 0
  • \!\, {d \over dz} e^z = e^z
  • \,(e^z)^n = e^{nz}, n \in \mathbb{Z}

對於所有的zw

它是周期的全純函數。我們看到除了多項式的所有初等函數都以某種方式起源於指數函數。

擴展自然對數到復平面上的多值函數ln(z),我們可以接著定義更一般性的指數函數:

\!\, z^w = e^{w \ln z}

對於所有複數zw,這也是多值函數,即使是在z為實數的情況下。前面關於正實數情況下的指數乘積規則在多值函數情況下必須改為:

(e^z)^w \ne e^{z w},而是 (e^z)^w = e^{(z + 2\pi i n) w}\, 多值於整數n 之上。

指數函數把在複平面上任何直線映射到在複平面中以原點為中心的對數螺線。要注意兩個特殊情況:當最初的線平行於實軸的時候,結果的螺線永不遮蓋(close in on)自身;當最初的線平行於虛軸的時候,結果的螺線是某個半徑的圓。

矩陣和巴拿赫代數[編輯]

上面給出的指數函數的定義可以用於所有巴拿赫代數,特別是對於方塊矩陣(在這種情況函數叫做矩陣指數)。在這種情況下我們有

\ e^{x + y} = e^x e^y \mbox{ if } xy = yx
\ e^0 = 1
\ e^x\ e^{-x}是互倒的
\ e^x在點\ x的導數是從\ u\ ue^x的線性映射。

在非交換巴拿赫代數的上下文中,比如矩陣代數或在巴拿赫空間希爾伯特空間上的算子,指數函數經常被認做實數參數的函數:

\ f(t) = e^{t A}

這裡的A是這個代數的固定元素而t是任何實數。這個函數有重要的性質

\ f(s + t) = f(s) f(t)
\ f(0) = 1
\ f'(t) = A f(t)

在李代數上[編輯]

李代數李群的「指數映射」有著上述性質。事實上因為R是帶有乘法的所有正實數的李群的李代數,實數參數的常規指數函數是李代數下的特殊情況。類似的,因為所有方塊實數矩陣的李代數M (n, R)屬於所有正可逆方塊矩陣的李群,方塊矩陣的指數函數是李代數指數映射的特殊情況。

數值值[編輯]

計算實數x的exp(x)[編輯]

要得到指數函數的數值值,無窮級數可以重寫為:

e^x = {1 \over 0!} + x \, \left( {1 \over 1!} + x \, \left( {1 \over 2!} + x \, \left( {1 \over 3!} + \cdots \right)\right)\right)
= 1 + {x \over 1} \left(1 + {x \over 2} \left(1 + {x \over 3} \left(1 + \cdots \right)\right)\right)

如果我們確保x小於1,這個表達式快速收斂。

為了確保如此,我們可以使用下列恆等式。

e^x\, =e^{z+f}\,
= e^z \times \left[{1 \over 0!} + f \, \left( {1 \over 1!} + f \, \left( {1 \over 2!} + f \, \left( {1 \over 3!} + \cdots \right)\right)\right)\right]
  • 這裡的zx的整數部分
  • 這裡的fx的小數部分
  • 所以,f總是小於1而fz合計為x

常數ez的值可以預先通過e自乘z次計算。

可以找到如下更好的演算法。

首先,注意到答案y = ex通常是用尾數m和指數n表示的浮點數,所以y = m 2n對於某個整數n和適合的小m。因此我們得到了:

y = m\,2^n = e^x.

在每項上取對數:

\ln(y) = \ln(m) + n\ln(2) = x. \,

所以,我們得到了n作為x除以ln(2)的結果,並找到不大於它的最大整數 - 也就是應用floor函數

n = \left\lfloor\frac{x}{\ln(2)}\right\rfloor.

已經找到了n,我們可以接著找到分數部分u:

u = x - n\ln(2). \,

u是小的並在範圍0 ≤ u < ln(2)內,所以我們可以使用前面提到的級數來計算m:

m = e^u = 1 + u(1 + u(\frac{1}{2!} + u(\frac{1}{3!} + u(....)))).

已經找到了mn,我們可以接著通過簡單組合這兩部分成一個浮點數而生成y:

y = e^x = m\,2^n.

計算複數z的exp(z)[編輯]

非常直接的給出公式

e^{x + yi} = e^xe^{yi} = e^x(\cos(y) + i \sin(y)) = e^x\cos(y) + ie^x\sin(y). \,

注意給三角函數的參數y是實數。

計算複數abab[編輯]

直接給出公式:

如果a = x + yi且b = u + vi,先把a轉換到極坐標,需要找到滿足如下條件的\thetar:

re^{{\theta}i} = r\cos\theta + i r\sin\theta = a = x + yi \,

 x = r\cos\theta \,y = r\sin\theta \,

所以,x^2 + y^2 = r^2 \,r = \sqrt{x^2 + y^2} \,而且 \tan\theta = \frac{y}{x} \,\theta = arctan2(y,x) \,

現在我們有:

a = re^{{\theta}i} = e^{\ln(r) + {\theta}i} \,

所以:

a^b = (e^{\ln(r) + {\theta}i})^{u + vi} = e^{(\ln(r) + {\theta}i)(u + vi)} \,

指數因此是兩個複數值的簡單乘積生成複數結果,它可以接著通過如下公式轉換回到正規的笛卡爾坐標:

e^{p + qi} = e^p(\cos(q) + i\sin(q)) = e^p\cos(q) + ie^p\sin(q) \,

這裡的p是乘法的實部:

p = u\ln(r) - v\theta \,

q是乘法的虛部:

q = v\ln(r) + u\theta \,

注意在這些計算中所有x, y, u, v, r, \theta, pq都是實數值。a^b \,的結果因此是p + qi \,

還要注意因為我們計算和使用了\ln(r) \,而不是r自身,你不需要計算平方根。轉而簡單的計算\ln(r) = \frac12\ln(x^2 + y^2) \,。預防潛在的上溢出並儘可能在計算x^2 + y^2 \,之前通過適當的2冪按比例縮減x和y,如果xy太大就會上溢出。如果你有下溢出的危險,在計算平方和之前通過適當的2的冪按比例增加它們。在任何一個情況下,你可以接著得到按比例縮放版本的x稱為x' \,,和按比例縮放版本的y稱為y' \,,因此得到:

x = x'2^s \,y = y'2^s \,

這裡的2^s \,是縮放因子。

接著得到\ln(r) = \frac12(\ln(x'^2 + y'^2) + s) \,這裡的x' \,y'\, 被縮放了使得平方和不上溢出或下溢出。如果x是非常大而y是非常小,因而不能找到這樣一個縮放因子,你就會上溢出所以這個和本質上等於x^2 \,,因為y被忽略了,因此你在這種情況下得到了r = |x| \,\ln(r) = \ln(|x|) \,。同樣情況出現在x非常小而y非常大的時候。如果兩個都非常小或都非常大就可以找到前面提到的縮放因子。

註釋與引用[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 John J O'Connor; Edmund F Robertson. The number e. School of Mathematics and Statistics. University of St Andrews, Scotland. [2011-06-13]. 
  2. ^ 假定利率為100%,借期1年本息合為200%,利息平均每月約8.3%。按複利可以只借1個月,1個月未能還款,本息合計為借款,如此1年下來本息合計約為261.3%。如果借貸者能在1個月內歸還,則不需要付1整年的利息,放貸者快速收回資金可以借給他人;拖到1年歸還,放貸者得到比正常放貸1年要高的利息;1年後按複利計算本息快速增長,借貸者可能就還不起了,而放貸者獲得抵押品。甚至可以逐日借款,這樣1年的收益高於261.3%,但增大不多,而借貸者可以更快還清少付利息,e 就是設立更小還款時限增加獲利,能達到的1年極限收益,即約為 271.8%。應區分抵押貸款高利貸
  3. ^ Eli Maor, e: the Story of a Number, p.156.
  4. ^ 4.0 4.1 \lim_{n\to\infty}\left(1 + \frac{x}{n}\right)^{n} = \lim_{n\to\infty}\left(\left(1 + \frac{1}{n}\right)^{n}\right)^x
    前者成為定義因其有導數上的重要性質。
  5. ^ Ernest William Hobson, John Napier and the invention of logarithms, 1614, Cambridge: The University Press. 1914 
  6. ^ Boyer, Carl B., A History of Mathematics, New York: John Wiley & Sons. 1991, ISBN 978-0-471-54397-8 
  7. ^ \left(1 + \frac{1}{n}\right)^x=\left(\left(1 + \frac{1}{n}\right)^n\right)^{\frac {x}{n}}
    在最初的概念下,底數是接近1的數,而對數是整數;經過簡單變換後,底數變大了,成為接近數學常量e的數,而對數變小了,成為 x/n。
  8. ^ 選取接近e的底數b,對數表涉及的bx為單調增函數,定義域為0到1而值域為1到b;選取接近1/e的底數b,對數表涉及的bx為單調減函數,定義域為0到∞而值域為1到0。
  9. ^ 10^{\frac{1}{2^{54}}}這個接近1的數為基礎。
  10. ^ Kline, M. (1998) Calculus: An intuitive and physical approach, section 12.3 "The Derived Functions of Logarithmic Functions.", pp. 337 ff, Courier Dover Publications, 1998, ISBN 0-486-40453-6
  11. ^ \begin{align}
\lim_{h\to 0}\left(b^h-1\right)\frac{1}{h} &= \lim_{\frac {1}{n}\to 0} \left( b^{\frac{1}{n}}-1 \right) n \\
&= \lim_{n \rightarrow \infty} n(b^{1/n} - 1) \\
&= \ln(b). \\
\end{align}
    這裡的自然對數定義為歐拉提出,是他定義的指數函數的逆函數
  12. ^ \frac{d}{dx} \left(1 + \frac{x}{n}\right)^n = \frac {n}{n+x} \left(1 + \frac{x}{n}\right)^{n}.
    這個函數的導數與函數值的比為 n/(n+x),當n→∞時, n/(n+x)=1,等式兩端就是指數函數的導數和指數函數。
  13. ^ 通過y(t) = e^t, y(0)=Kf(t,y(t)) = y(t)
  14. ^ "A.2.2 The exponential function." L. Lorentzen and H. Waadeland, Continued Fractions, Atlantis Studies in Mathematics, page 268.
  1. ^ e^{i\pi} = \lim_{n\rightarrow\infty} \left(1+\frac{\pi}{n}i\right)^n\left(1+\frac{\pi}{n}i\right)^n極限形式:

    故有歐拉恆等式e^{i \pi} +1 = 0.\,\!

參見[編輯]

外部連結[編輯]