Как найти показатель экспоненты - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

This article is about the function f(x) = e^x and its generalizations. For functions of the form f(x) = x^r, see Power function. For the bivariate function f(x,y) = x^y, see Exponentiation. For the representation of scientific numbers, see E notation.

Exponential
The natural exponential function along part of the real axis
General information
General definition	${displaystyle exp z=e^{z}}$
Motivation of invention	Analytic proofs
Fields of application	Pure and applied mathematics
Domain, Codomain and Image
Domain
Image	${displaystyle {begin{cases}(0,infty )&{text{for }}zin mathbb {R} \mathbb {C} setminus {0}&{text{for }}zin mathbb {C} end{cases}}}$
Specific values
At zero	1
Value at 1	e
Specific features
Fixed point	−W_n(−1) for
Related functions
Reciprocal
Inverse	Complex logarithm
Derivative
Antiderivative
Series definition
Taylor series	${displaystyle exp z=sum _{n=0}^{infty }{frac {z^{n}}{n!}}}$

Exponential functions with bases 2 and 1/2

The exponential function is a mathematical function denoted by or $e^{x}$ (where the argument x is written as an exponent). Unless otherwise specified, the term generally refers to the positive-valued function of a real variable, although it can be extended to the complex numbers or generalized to other mathematical objects like matrices or Lie algebras. The exponential function originated from the notion of exponentiation (repeated multiplication), but modern definitions (there are several equivalent characterizations) allow it to be rigorously extended to all real arguments, including irrational numbers. Its ubiquitous occurrence in pure and applied mathematics led mathematician Walter Rudin to opine that the exponential function is «the most important function in mathematics».^[1]

The exponential function satisfies the exponentiation identity

${displaystyle e^{x+y}=e^{x}e^{y}{text{ for all }}x,yin mathbb {R} ,}$

which, along with the definition , shows that ${displaystyle e^{n}=underbrace {etimes cdots times e} _{n{text{ factors}}}}$ for positive integers n, and relates the exponential function to the elementary notion of exponentiation. The base of the exponential function, its value at 1, , is a ubiquitous mathematical constant called Euler’s number.

While other continuous nonzero functions that satisfy the exponentiation identity are also known as exponential functions, the exponential function exp is the unique real-valued function of a real variable whose derivative is itself and whose value at 0 is 1; that is, for all real x, and Thus, exp is sometimes called the natural exponential function to distinguish it from these other exponential functions, which are the functions of the form ${displaystyle f(x)=ab^{x},}$ where the base b is a positive real number. The relation ${displaystyle b^{x}=e^{xln b}}$ for positive b and real or complex x establishes a strong relationship between these functions, which explains this ambiguous terminology.

The real exponential function can also be defined as a power series. This power series definition is readily extended to complex arguments to allow the complex exponential function to be defined. The complex exponential function takes on all complex values except for 0 and is closely related to the complex trigonometric functions, as shown by Euler’s formula.

Motivated by more abstract properties and characterizations of the exponential function, the exponential can be generalized to and defined for entirely different kinds of mathematical objects (for example, a square matrix or a Lie algebra).

In applied settings, exponential functions model a relationship in which a constant change in the independent variable gives the same proportional change (that is, percentage increase or decrease) in the dependent variable. This occurs widely in the natural and social sciences, as in a self-reproducing population, a fund accruing compound interest, or a growing body of manufacturing expertise. Thus, the exponential function also appears in a variety of contexts within physics, computer science, chemistry, engineering, mathematical biology, and economics.

The real exponential function is a bijection from to .^[2] Its inverse function is the natural logarithm, denoted ^{[nb 1]} ^{[nb 2]} or ${displaystyle log _{e};}$ because of this, some old texts^[3] refer to the exponential function as the antilogarithm.

Graph[edit]

The graph of $y=e^{x}$ is upward-sloping, and increases faster as x increases.^[4] The graph always lies above the x-axis, but becomes arbitrarily close to it for large negative x; thus, the x-axis is a horizontal asymptote. The equation ${displaystyle {tfrac {d}{dx}}e^{x}=e^{x}}$ means that the slope of the tangent to the graph at each point is equal to its y-coordinate at that point.

Relation to more general exponential functions[edit]

The exponential function $f(x)=e^{x}$ is sometimes called the natural exponential function for distinguishing it from the other exponential functions. The study of any exponential function can easily be reduced to that of the natural exponential function, since per definition, for positive b,

${displaystyle ab^{x}:=ae^{xln b}}$

As functions of a real variable, exponential functions are uniquely characterized by the fact that the derivative of such a function is directly proportional to the value of the function. The constant of proportionality of this relationship is the natural logarithm of the base b:

${displaystyle {frac {d}{dx}}b^{x} {stackrel {text{def}}{=}} {frac {d}{dx}}e^{xln(b)}=e^{xln(b)}ln(b)=b^{x}ln(b).}$

For b > 1, the function b^x is increasing (as depicted for b = e and b = 2), because makes the derivative always positive; while for b < 1, the function is decreasing (as depicted for b = 1/2); and for b = 1 the function is constant.

Euler’s number e = 2.71828… is the unique base for which the constant of proportionality is 1, since ln(e)=1 , so that the function is its own derivative:

${displaystyle {frac {d}{dx}}e^{x}=e^{x}ln(e)=e^{x}.}$

This function, also denoted as exp x, is called the «natural exponential function»,^[5]^[6] or simply «the exponential function». Since any exponential function can be written in terms of the natural exponential as ${displaystyle b^{x}=e^{xln b}}$ , it is computationally and conceptually convenient to reduce the study of exponential functions to this particular one. The natural exponential is hence denoted by

${displaystyle xmapsto e^{x}}$

The former notation is commonly used for simpler exponents, while the latter is preferred when the exponent is more complicated and harder to read in a small font.

For real numbers c and d, a function of the form ${displaystyle f(x)=ab^{cx+d}}$ is also an exponential function, since it can be rewritten as

${displaystyle ab^{cx+d}=left(ab^{d}right)left(b^{c}right)^{x}.}$

Formal definition[edit]

The exponential function (in blue), and the sum of the first n + 1 terms of its power series (in red).

The real exponential function can be characterized in a variety of equivalent ways. It is commonly defined by the following power series:^[1]^[7]

${displaystyle exp x:=sum _{k=0}^{infty }{frac {x^{k}}{k!}}=1+x+{frac {x^{2}}{2}}+{frac {x^{3}}{6}}+{frac {x^{4}}{24}}+cdots }$

Since the radius of convergence of this power series is infinite, this definition is, in fact, applicable to all complex numbers; see § Complex plane for the extension of exp x to the complex plane. Using the power series, the constant e can be defined as ${textstyle e=exp 1=sum _{k=0}^{infty }(1/k!).}$

The term-by-term differentiation of this power series reveals that ${textstyle {frac {d}{dx}}exp x=exp x}$ for all real x, leading to another common characterization of exp x as the unique solution of the differential equation

that satisfies the initial condition

Based on this characterization, the chain rule shows that its inverse function, the natural logarithm, satisfies ${textstyle {frac {d}{dy}}ln y=1/y}$ for or ${textstyle ln y=int _{1}^{y}{frac {dt}{t}},.}$ This relationship leads to a less common definition of the real exponential function exp x as the solution to the equation

${displaystyle x=int _{1}^{y}{frac {1}{t}},dt.}$

By way of the binomial theorem and the power series definition, the exponential function can also be defined as the following limit:^[8]^[7]

${displaystyle exp x=lim _{nto infty }left(1+{frac {x}{n}}right)^{n}.}$

It can be shown that every continuous, nonzero solution of the functional equation for is an exponential function, $f(x)=e^{{kx}}$ with

Overview[edit]

The red curve is the exponential function. The black horizontal lines show where it crosses the green vertical lines.

The exponential function arises whenever a quantity grows or decays at a rate proportional to its current value. One such situation is continuously compounded interest, and in fact it was this observation that led Jacob Bernoulli in 1683^[9] to the number

${displaystyle lim _{nto infty }left(1+{frac {1}{n}}right)^{n}}$

now known as e. Later, in 1697, Johann Bernoulli studied the calculus of the exponential function.^[9]

If a principal amount of 1 earns interest at an annual rate of x compounded monthly, then the interest earned each month is x/12 times the current value, so each month the total value is multiplied by (1 + x/12), and the value at the end of the year is (1 + x/12)¹². If instead interest is compounded daily, this becomes (1 + x/365)³⁶⁵. Letting the number of time intervals per year grow without bound leads to the limit definition of the exponential function,

${displaystyle exp x=lim _{nto infty }left(1+{frac {x}{n}}right)^{n}}$

first given by Leonhard Euler.^[8]
This is one of a number of characterizations of the exponential function; others involve series or differential equations.

From any of these definitions it can be shown that the exponential function obeys the basic exponentiation identity,

which justifies the notation e^x for exp x.

The derivative (rate of change) of the exponential function is the exponential function itself. More generally, a function with a rate of change proportional to the function itself (rather than equal to it) is expressible in terms of the exponential function. This function property leads to exponential growth or exponential decay.

The exponential function extends to an entire function on the complex plane. Euler’s formula relates its values at purely imaginary arguments to trigonometric functions. The exponential function also has analogues for which the argument is a matrix, or even an element of a Banach algebra or a Lie algebra.

Derivatives and differential equations[edit]

The derivative of the exponential function is equal to the value of the function. From any point P on the curve (blue), let a tangent line (red), and a vertical line (green) with height h be drawn, forming a right triangle with a base b on the x-axis. Since the slope of the red tangent line (the derivative) at P is equal to the ratio of the triangle’s height to the triangle’s base (rise over run), and the derivative is equal to the value of the function, h must be equal to the ratio of h to b. Therefore, the base b must always be 1.

The importance of the exponential function in mathematics and the sciences stems mainly from its property as the unique function which is equal to its derivative and is equal to 1 when x = 0. That is,

${displaystyle {frac {d}{dx}}e^{x}=e^{x}quad {text{and}}quad e^{0}=1.}$

Functions of the form ce^x for constant c are the only functions that are equal to their derivative (by the Picard–Lindelöf theorem). Other ways of saying the same thing include:

The slope of the graph at any point is the height of the function at that point.
The rate of increase of the function at x is equal to the value of the function at x.
The function solves the differential equation y′ = y.
exp is a fixed point of derivative as a functional.

If a variable’s growth or decay rate is proportional to its size—as is the case in unlimited population growth (see Malthusian catastrophe), continuously compounded interest, or radioactive decay—then the variable can be written as a constant times an exponential function of time. Explicitly for any real constant k, a function f: R → R satisfies f′ = kf if and only if f(x) = ce^kx for some constant c. The constant k is called the decay constant, disintegration constant,^[10] rate constant,^[11] or transformation constant.^[12]

Furthermore, for any differentiable function f, we find, by the chain rule:

${displaystyle {frac {d}{dx}}e^{f(x)}=f'(x)e^{f(x)}.}$

Continued fractions for e^x[edit]

A continued fraction for e^x can be obtained via an identity of Euler:

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

The following generalized continued fraction for e^z converges more quickly:^[13]

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

or, by applying the substitution z = x/y:

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

with a special case for z = 2:

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

This formula also converges, though more slowly, for z > 2. For example:

${displaystyle e^{3}=1+{cfrac {6}{-1+{cfrac {3^{2}}{6+{cfrac {3^{2}}{10+{cfrac {3^{2}}{14+ddots ,}}}}}}}}=13+{cfrac {54}{7+{cfrac {9}{14+{cfrac {9}{18+{cfrac {9}{22+ddots ,}}}}}}}}}$

Complex plane[edit]

The exponential function e^z plotted in the complex plane from -2-2i to 2+2i

As in the real case, the exponential function can be defined on the complex plane in several equivalent forms.

The most common definition of the complex exponential function parallels the power series definition for real arguments, where the real variable is replaced by a complex one:

${displaystyle exp z:=sum _{k=0}^{infty }{frac {z^{k}}{k!}}}$

Alternatively, the complex exponential function may be defined by modelling the limit definition for real arguments, but with the real variable replaced by a complex one:

${displaystyle exp z:=lim _{nto infty }left(1+{frac {z}{n}}right)^{n}}$

For the power series definition, term-wise multiplication of two copies of this power series in the Cauchy sense, permitted by Mertens’ theorem, shows that the defining multiplicative property of exponential functions continues to hold for all complex arguments:

The definition of the complex exponential function in turn leads to the appropriate definitions extending the trigonometric functions to complex arguments.

In particular, when z = it (t real), the series definition yields the expansion

${displaystyle exp(it)=left(1-{frac {t^{2}}{2!}}+{frac {t^{4}}{4!}}-{frac {t^{6}}{6!}}+cdots right)+ileft(t-{frac {t^{3}}{3!}}+{frac {t^{5}}{5!}}-{frac {t^{7}}{7!}}+cdots right).}$

In this expansion, the rearrangement of the terms into real and imaginary parts is justified by the absolute convergence of the series. The real and imaginary parts of the above expression in fact correspond to the series expansions of cos t and sin t, respectively.

This correspondence provides motivation for defining cosine and sine for all complex arguments in terms of and the equivalent power series:^[14]

${displaystyle {begin{aligned}&cos z:={frac {exp(iz)+exp(-iz)}{2}}=sum _{k=0}^{infty }(-1)^{k}{frac {z^{2k}}{(2k)!}},\[5pt]{text{and }}quad &sin z:={frac {exp(iz)-exp(-iz)}{2i}}=sum _{k=0}^{infty }(-1)^{k}{frac {z^{2k+1}}{(2k+1)!}}end{aligned}}}$

for all

The functions exp, cos, and sin so defined have infinite radii of convergence by the ratio test and are therefore entire functions (that is, holomorphic on ). The range of the exponential function is , while the ranges of the complex sine and cosine functions are both in its entirety, in accord with Picard’s theorem, which asserts that the range of a nonconstant entire function is either all of , or excluding one lacunary value.

These definitions for the exponential and trigonometric functions lead trivially to Euler’s formula:

We could alternatively define the complex exponential function based on this relationship. If z = x + iy, where x and y are both real, then we could define its exponential as

where exp, cos, and sin on the right-hand side of the definition sign are to be interpreted as functions of a real variable, previously defined by other means.^[15]

For tinR , the relationship holds, so that for real and maps the real line (mod 2π) to the unit circle in the complex plane. Moreover, going from t=0 to $t=t_{0}$ , the curve defined by traces a segment of the unit circle of length

${displaystyle int _{0}^{t_{0}}|gamma '(t)|,dt=int _{0}^{t_{0}}|iexp(it)|,dt=t_{0},}$

starting from z = 1 in the complex plane and going counterclockwise. Based on these observations and the fact that the measure of an angle in radians is the arc length on the unit circle subtended by the angle, it is easy to see that, restricted to real arguments, the sine and cosine functions as defined above coincide with the sine and cosine functions as introduced in elementary mathematics via geometric notions.

The complex exponential function is periodic with period 2πi and holds for all .

When its domain is extended from the real line to the complex plane, the exponential function retains the following properties:

${displaystyle {begin{aligned}&e^{z+w}=e^{z}e^{w},\[5pt]&e^{0}=1,\[5pt]&e^{z}neq 0\[5pt]&{frac {d}{dz}}e^{z}=e^{z}\[5pt]&left(e^{z}right)^{n}=e^{nz},nin mathbb {Z} end{aligned}}}$

for all

Extending the natural logarithm to complex arguments yields the complex logarithm log z, which is a multivalued function.

We can then define a more general exponentiation:

${displaystyle z^{w}=e^{wlog z}}$

for all complex numbers z and w. This is also a multivalued function, even when z is real. This distinction is problematic, as the multivalued functions log z and z^w are easily confused with their single-valued equivalents when substituting a real number for z. The rule about multiplying exponents for the case of positive real numbers must be modified in a multivalued context:

(e^z)^w
≠ e^zw, but rather (e^z)^w
= e^{(z + 2niπ)w} multivalued over integers n

See failure of power and logarithm identities for more about problems with combining powers.

The exponential function maps any line in the complex plane to a logarithmic spiral in the complex plane with the center at the origin. Two special cases exist: when the original line is parallel to the real axis, the resulting spiral never closes in on itself; when the original line is parallel to the imaginary axis, the resulting spiral is a circle of some radius.

3D plots of real part, imaginary part, and modulus of the exponential function
z = Re(e^{x + iy})
z = Im(e^{x + iy})
z = |e^{x + iy}|

Considering the complex exponential function as a function involving four real variables:

the graph of the exponential function is a two-dimensional surface curving through four dimensions.

Starting with a color-coded portion of the domain, the following are depictions of the graph as variously projected into two or three dimensions.

Graphs of the complex exponential function
Projection onto the range complex plane (V/W). Compare to the next, perspective picture.
Projection into the , , and dimensions, producing a flared horn or funnel shape (envisioned as 2-D perspective image).

The second image shows how the domain complex plane is mapped into the range complex plane:

The third and fourth images show how the graph in the second image extends into one of the other two dimensions not shown in the second image.

The third image shows the graph extended along the real axis. It shows the graph is a surface of revolution about the axis of the graph of the real exponential function, producing a horn or funnel shape.

The fourth image shows the graph extended along the imaginary axis. It shows that the graph’s surface for positive and negative values doesn’t really meet along the negative real axis, but instead forms a spiral surface about the axis. Because its values have been extended to ±2π, this image also better depicts the 2π periodicity in the imaginary value.

Computation of a^b where both a and b are complex[edit]

Complex exponentiation a^b can be defined by converting a to polar coordinates and using the identity (e^{ln a})^b
= a^b:

${displaystyle a^{b}=left(re^{theta i}right)^{b}=left(e^{(ln r)+theta i}right)^{b}=e^{left((ln r)+theta iright)b}}$

However, when b is not an integer, this function is multivalued, because θ is not unique (see failure of power and logarithm identities).

Matrices and Banach algebras[edit]

The power series definition of the exponential function makes sense for square matrices (for which the function is called the matrix exponential) and more generally in any unital Banach algebra B. In this setting, e⁰ = 1, and e^x is invertible with inverse e^−x for any x in B. If xy = yx, then e^{x + y} = e^xe^y, but this identity can fail for noncommuting x and y.

Some alternative definitions lead to the same function. For instance, e^x can be defined as

${displaystyle lim _{nto infty }left(1+{frac {x}{n}}right)^{n}.}$

Or e^x can be defined as f_x(1), where f_x : R → B is the solution to the differential equation df_x/dt(t) = x f_x(t), with initial condition f_x(0) = 1; it follows that f_x(t) = e^tx for every t in R.

Lie algebras[edit]

Given a Lie group G and its associated Lie algebra , the exponential map is a map ↦ G satisfying similar properties. In fact, since R is the Lie algebra of the Lie group of all positive real numbers under multiplication, the ordinary exponential function for real arguments is a special case of the Lie algebra situation. Similarly, since the Lie group GL(n,R) of invertible n × n matrices has as Lie algebra M(n,R), the space of all n × n matrices, the exponential function for square matrices is a special case of the Lie algebra exponential map.

The identity exp(x + y) = exp x exp y can fail for Lie algebra elements x and y that do not commute; the Baker–Campbell–Hausdorff formula supplies the necessary correction terms.

Transcendency[edit]

The function e^z is not in C(z) (that is, is not the quotient of two polynomials with complex coefficients).

If a₁, …, a_n are distinct complex numbers, then e^a₁z, …, e^a_nz are linearly independent over C(z). It follows that e^z is transcendental over C(z).

Computation[edit]

When computing (an approximation of) the exponential function near the argument 0, the result will be close to 1, and computing the value of the difference $e^{x}-1$ with floating-point arithmetic may lead to the loss of (possibly all) significant figures, producing a large calculation error, possibly even a meaningless result.

Following a proposal by William Kahan, it may thus be useful to have a dedicated routine, often called expm1, for computing e^x − 1 directly, bypassing computation of e^x. For example, if the exponential is computed by using its Taylor series

${displaystyle e^{x}=1+x+{frac {x^{2}}{2}}+{frac {x^{3}}{6}}+cdots +{frac {x^{n}}{n!}}+cdots ,}$

one may use the Taylor series of $e^{x}-1$ :

${displaystyle e^{x}-1=x+{frac {x^{2}}{2}}+{frac {x^{3}}{6}}+cdots +{frac {x^{n}}{n!}}+cdots .}$

This was first implemented in 1979 in the Hewlett-Packard HP-41C calculator, and provided by several calculators,^[16]^[17] operating systems (for example Berkeley UNIX 4.3BSD^[18]), computer algebra systems, and programming languages (for example C99).^[19]

In addition to base e, the IEEE 754-2008 standard defines similar exponential functions near 0 for base 2 and 10: $2^{x}-1$ and ${displaystyle 10^{x}-1}$ .

A similar approach has been used for the logarithm (see lnp1).^{[nb 3]}

An identity in terms of the hyperbolic tangent,

${displaystyle operatorname {expm1} (x)=e^{x}-1={frac {2tanh(x/2)}{1-tanh(x/2)}},}$

gives a high-precision value for small values of x on systems that do not implement expm1(x).

Notes[edit]

^ The notation ln x is the ISO standard and is prevalent in the natural sciences and secondary education (US). However, some mathematicians (for example, Paul Halmos) have criticized this notation and prefer to use log x for the natural logarithm of x.
^ In pure mathematics, the notation log x generally refers to the natural logarithm of x or a logarithm in general if the base is immaterial.
^ A similar approach to reduce round-off errors of calculations for certain input values of trigonometric functions consists of using the less common trigonometric functions versine, vercosine, coversine, covercosine, haversine, havercosine, hacoversine, hacovercosine, exsecant and excosecant.

References[edit]

^ ^a ^b Rudin, Walter (1987). Real and complex analysis (3rd ed.). New York: McGraw-Hill. p. 1. ISBN 978-0-07-054234-1.
^ Meier, John; Smith, Derek (2017-08-07). Exploring Mathematics. Cambridge University Press. p. 167. ISBN 978-1-107-12898-9.
^ Converse, Henry Augustus; Durell, Fletcher (1911). Plane and Spherical Trigonometry. Durell’s mathematical series. C. E. Merrill Company. p. 12. Inverse Use of a Table of Logarithms; that is, given a logarithm, to find the number corresponding to it, (called its antilogarithm) … [1]
^ «Exponential Function Reference». www.mathsisfun.com. Retrieved 2020-08-28.
^ Goldstein, Larry Joel; Lay, David C.; Schneider, David I.; Asmar, Nakhle H. (2006). Brief calculus and its applications (11th ed.). Prentice–Hall. ISBN 978-0-13-191965-5. (467 pages)
^ Courant; Robbins (1996). Stewart (ed.). What is Mathematics? An Elementary Approach to Ideas and Methods (2nd revised ed.). Oxford University Press. p. 448. ISBN 978-0-13-191965-5. This natural exponential function is identical with its derivative. This is really the source of all the properties of the exponential function, and the basic reason for its importance in applications…
^ ^a ^b Weisstein, Eric W. «Exponential Function». mathworld.wolfram.com. Retrieved 2020-08-28.
^ ^a ^b Maor, Eli. e: the Story of a Number. p. 156.
^ ^a ^b O’Connor, John J.; Robertson, Edmund F. (September 2001). «The number e». School of Mathematics and Statistics. University of St Andrews, Scotland. Retrieved 2011-06-13.
^ Serway, Raymond A.; Moses, Clement J.; Moyer, Curt A. (1989). Modern Physics. Fort Worth: Harcourt Brace Jovanovich. p. 384. ISBN 0-03-004844-3.
^ Simmons, George F. (1972). Differential Equations with Applications and Historical Notes. New York: McGraw-Hill. p. 15. LCCN 75173716.
^ McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology (10th ed.). New York: McGraw-Hill. 2007. ISBN 978-0-07-144143-8.
^ Lorentzen, L.; Waadeland, H. (2008). «A.2.2 The exponential function.». Continued Fractions. Atlantis Studies in Mathematics. Vol. 1. p. 268. doi:10.2991/978-94-91216-37-4. ISBN 978-94-91216-37-4.
^ Rudin, Walter (1976). Principles of Mathematical Analysis. New York: McGraw-Hill. p. 182. ISBN 978-0-07-054235-8.
^ Apostol, Tom M. (1974). Mathematical Analysis (2nd ed.). Reading, Mass.: Addison Wesley. pp. 19. ISBN 978-0-201-00288-1.
^ HP 48G Series – Advanced User’s Reference Manual (AUR) (4 ed.). Hewlett-Packard. December 1994 [1993]. HP 00048-90136, 0-88698-01574-2. Retrieved 2015-09-06.
^ HP 50g / 49g+ / 48gII graphing calculator advanced user’s reference manual (AUR) (2 ed.). Hewlett-Packard. 2009-07-14 [2005]. HP F2228-90010. Retrieved 2015-10-10. [2]
^ Beebe, Nelson H. F. (2017-08-22). «Chapter 10.2. Exponential near zero». The Mathematical-Function Computation Handbook — Programming Using the MathCW Portable Software Library (1 ed.). Salt Lake City, UT, USA: Springer International Publishing AG. pp. 273–282. doi:10.1007/978-3-319-64110-2. ISBN 978-3-319-64109-6. LCCN 2017947446. S2CID 30244721. Berkeley UNIX 4.3BSD introduced the expm1() function in 1987.
^ Beebe, Nelson H. F. (2002-07-09). «Computation of expm1 = exp(x)−1» (PDF). 1.00. Salt Lake City, Utah, USA: Department of Mathematics, Center for Scientific Computing, University of Utah. Retrieved 2015-11-02.

External links[edit]

«Exponential function», Encyclopedia of Mathematics, EMS Press, 2001 [1994]

Источник

В данной публикации мы рассмотрим, что такое экспонента, как выглядит ее график, приведем формулу, с помощью которой задается экспоненциальная функция, а также перечислим ее основные свойства.

Определение и формула экспоненты
График экспоненты
Свойства экспоненциальной функции

Определение и формула экспоненты

Экспонента – это показательная функция, формула которой выглядит следующим образом:

f (x) = exp(x) = e^x

где e – число Эйлера.

Экспоненциальная функция (так часто называют экспоненту) может быть определена:

Через предел (lim):

Через степенной ряд Тейлора:

График экспоненты

Ниже представлен график экспоненциальной функции y = e^x.

Как мы видим график (синяя линия) является выпуклым, строго возрастающим, т.е. при увеличении x увеличивается значение y.

Асимптотой является ось абсцисс, т.е. график во II четверти координатной плоскости стремится к оси Ox, но никогда не пересечет и не коснется ее.

Пересечение с осью ординат Oy – в точке (0, 1), так как e⁰ = 1.

Касательная (зеленая линия) к экспоненте проходит под углом 45 градусов в точке касания.

Свойства экспоненциальной функции

Экспонента определена для всех x, причем функция везде возрастает, и ее значение всегда больше нуля. То есть:
- область определения: – ∞ < x + ∞;
- область значений: 0 < y < + ∞.
Обратная к экспоненте функция – это натуральный логарифм (ln x).
- ln e ^x = x;
- e^{ln x} = x, где x > 0.
Для экспоненты применимы правила операций с показателями, например: e^{(a + b)} = e^a ⋅ e^b.
Производная экспоненты:
- (e^x)‘ = e^x.
- если вместо x – сложная функция u: (e^u)‘ = e^u + u‘.
Интеграл экспоненты: ∫ e^x dx = e^x + C, где C – константа интегрирования.

Источник

Посчитать экспоненту

Главная
/
Математика
/
Арифметика
/
Посчитать экспоненту

Для того чтобы посчитать экспоненту воспользуйтесь нашим удобным онлайн калькулятором:

Онлайн калькулятор

Чему равна

exp()?

Ответ:

Просто введите число для которого нужно посчитать экспоненту и получите ответ.

Теория

Экспонента является показательной функцией ƒ(x) = e^x, где число e (число Эйлера, e ≈ 2,718) – основание степени, а х – степень в которую нужно его возвести.

Формула

exp(x) = e^x

Пример

К примеру, посчитаем экспоненту числа 2:

exp(2) = e² = 2,7182818284² ≈ 7.389

См. также

Источник

Содержание:

Рассмотрим выражение

Определение:

Показательной функцией называется функция вида где а — постоянная,

Область определения показательной функции — это естественная область определения выражения т. е. множество всех действительных чисел.

Графики некоторых показательных функций при а > 1 изображены на рисунке 23, при 0< а< 1 — на рисунке 24. Как получаются изображения таких графиков?

Например, чтобы изобразить график функции придадим несколько значений аргументу, вычислим соответствующие значения функции и внесем их в таблицу:

Вычислив приближенные значения у с точностью до 0,1, получим следующую таблицу:

Отметим точки с указанными координатами на координатной плоскости Оху (рис. 25) и соединим эти точки плавной непрерывной линией.

Полученную кривую можно рассматривать как изображение графика функции (рис. 26).

График функции расположен над осью Ох и пересекает ось Оу в точке Заметим еще, что когда значения аргумента х уменьшаются, то график этой функции «прижимается» к оси Ох, а когда значения аргумента х увеличиваются, то график «круто поднимается» вверх.

Аналогично для любой функции (рис. 27).

Изобразим теперь график функции Для этого придадим несколько значений аргументу, вычислим соответствующие значения функции и внесем их в таблицу:

Вычислив приближенные значения у с точностью до 0,1. получим следующую таблицу:

Отметим точки с указанными координатами на координатной плоскости Оху (рис. 28) и соединим эти точки плавной непрерывной линией.

Полученную кривую можно рассматривать как изображение графика функции (рис. 29).

График функции расположен над осью Ох и пересекает ось Оу в точке Заметим еще, что когда значения аргумента х увеличиваются, то график этой функции «прижимается» к оси Ох, а когда значения аргумента х уменьшаются, то график «круто поднимается» вверх.

Аналогично для любой функции (рис. 30).

Теорема (о свойствах показательной функции)

Областью определения показательной функции является множество R всех действительных чисел.
Множеством (областью) значений показательной функции является интервал
Показательная функция наименьшего и наибольшего значений не имеет.
График показательной функции пересекается с осью ординат в точке (0; 1) и не пересекается с осью абсцисс.
Показательная функция не имеет нулей.
Показательная функция принимает положительные значения на всей области определения; все точки ее графика лежат выше оси Ох в I и II координатных углах.
Показательная функция не является ни четной, ни нечетной.
При а > 1 показательная функция возрастает на всей области определения. При показательная функция убывает на всей области определения.
Показательная функция не является периодической.

Свойства, указанные в этой теореме, мы примем без доказательства.

Изображение графика показательной функции позволяет наглядно представить эти свойства.

Множество (область) значений показательной функции — это проекция ее графика на ось Оу, а на рисунках 27 и 30 видно, что эта проекция есть интервал на оси Оу. Это значит, что для любой точки принадлежащей этому интервалу, найдется такая точка на оси Ох, что (свойство 2).

Множество (область) значений показательной функции — это интервал а в этом интервале нет ни наименьшего числа, ни наибольшего (свойство 3).

График показательной функции проходит через точку и лежит в верхней полуплоскости (свойства 4, 5, 6).

График показательной функции не симметричен относительно оси ординат, поэтому она не является четной; график показательной функции не симметричен относительно начала координат, поэтому она не является нечетной (свойство 7).

На рисунке 27 видно, что при а > 1 показательная функция возрастает, а на рисунке 30 видно, что при 0 < а < 1 показательная функция убывает (свойство 8).

На графике показательной функции нет точек с одинаковыми ординатами, поэтому она не является периодической (свойство 9).

К графику показательной функции можно провести невертикальную касательную в любой его точке, в том числе и в точке (напомним, что это означает наличие производной функции в этой точке).

Если то угол который образует такая касательная с осью Ох, острый. Например, если а = 2, то (рис. 31, а), а если а = 3, то (рис. 31, б).

Существует основание 2 < а < 3 такой единственной показательной функции, что касательная, проведенная к ее графику в точке (0; 1), образует с осью Ох угол (рис. 31, в).

Основанием показательной функции с таким свойством является число, которое было открыто еще в XVII в. Джоном Непером (его портрет — на обложке) и названо неперовым числом; оно приближенно равно 2,7182818284. С XVIII в. неперово число стали обозначать буквой е в честь великого Леонарда Эйлера. В 1766 г. Ламбертом (с помощью приема Эйлера) было доказано, что число е, как и число иррационально. Числа очень важны для математики, они входят в большое число формул. В российских гимназиях для запоминания приближенного значения числа е использовали такое двустишие:

«Помнить е — закон простой: Два, семь, дважды Лев Толстой», Поскольку 1828 — год рождения великого русского писателя Л. Н. Толстого.

Пример:

Указать наибольшее и наименьшее значения функции (если они существуют):

Решение:

а) Поскольку 3 — положительное число больше 1, то большему значению показателя соответствует и большее значение степени Но выражение при х = 0 имеет наименьшее значение, а наибольшего значения не имеет. Значит, при любых значениях х верно неравенство

б) Поскольку 0,7 — положительное число меньше 1, то большему значению показателя sin х соответствует меньшее значение степени Значения выражения sin х при любых значениях х удовлетворяют неравенству

Таким образом, при любых значениях х верно неравенство

Значит, верно и неравенство

Ответ: а) 1 — наименьшее значение функции наибольшего значения нет;

б) наименьшее значение, а наибольшее значение функции

Понятие показательной функции

Показательной функцией называется функция, заданная формулой

где — некоторое действительное число, и .

Теорема 1.

Областью определения показательной функции является множество всех действительных чисел, а областью значений — множество всех положительных действительных чисел.

Доказательство:

Пусть . Тогда, по свойству (10) степени с действительным показателем из параграфа 6, выражение-степень имеет значение при любом значении переменной , а это означает, что областью определения показательной функции является множество всех действительных чисел.

Поскольку , то, по свойству (11) степени с действительным показателем из параграфа 6, значение выражения положительно при всех значениях переменной . В курсе математического анализа доказывается, что при уравнение имеет единственный корень. Это означает, что каждое положительное число можно получить как значение выражения , иными словами, областью значений показательной функции является множество всех положительных действительных чисел.

Теорема 2.

Показательная функция на множестве всех действительных чисел при является возрастающей, а при — убывающей.

Доказательство:

Сравним значения выражений и :

Пусть , т. е. . Если , то, по свойству (12) степени с действительным показателем из параграфа 9, из условия следует, что , а потому и, значит, , так как по свойству (11) из параграфа 6. Получили, что , или . Это неравенство вместе с определением возрастающей функции позволяет утверждать, что функция является возрастающей при .

Если , то и по уже доказанному , или и потому . Это неравенство с учетом определения убывающей функции позволяет утверждать, что при функция является убывающей.

Следствие 1.

Равные степени с одним и тем же положительным и не равным единице основанием имеют равные показатели:

Действительно, если допустить, что , то при по теореме 2 получим, что , а при — что . Но оба эти неравенства противоречат условию.

Так же приводит к противоречию с условием и допущение .

Теорема 3.

Графики всех показательных функций проходят через точку (0; 1).

Для доказательства теоремы достаточно заметить, что при любом положительном истинно равенство .

Построим график функции . Для этого нанесем на координатную плоскость некоторые точки этого графика, составив предварительно таблицу значений функции.

Используя построенные точки и установленные свойства показательной функции, получим график функции , который представлен на рисунке 153. Обратим внимание на то, что график функции при уменьшении отрицательных значений переменной быстро приближается к оси абсцисс, но остается выше нее.

Для построения графика функции учтем, что , и используем утверждение о том, что график функции получается из графика функции симметричным отражением относительно оси ординат. Указанное преобразование приведено на рисунке 154. Обращаем внимание на то, что график функции при увеличении положительных значений переменной быстро приближается к оси абсцисс, но не пересекает ее.

Теорема 4.

Если , то при и при .

Доказательство:

Пусть , тогда . Сравним значения выражений и :

Пусть , тогда , так как . Значит, , а потому , так как . Значит, , или .

Пусть , тогда и, значит, . Поскольку , то . Значит, , или .

В соответствии с теоремой 4 при увеличении основания график функции на промежутке будет располагаться более близко к оси абсцисс, а на промежутке — более далеко.

График любой показательной функции с основанием , большим единицы, похож на график функции . На рисунке 155 представлены графики функций и .

График любой показательной функции с положительным основанием , меньшим единицы, похож на график функции.

На рисунке 156 приведены графики функций и .

Обратим внимание на ограничения на основание степени показательной функции . Первое ограничение вызвано тем, что значение выражения определено при всех значениях показателя только при положительном основании. Второе ограничение объясняется тем, что при функция принимает вид , т. е. все значения такой функции равны единице (рис. 157), и такая функция не вызывает особого интереса.

Показательная функция описывает ряд физических процессов. Например, радиоактивный распад определяется формулой , где и — массы радиоактивного вещества в начальный момент времени 0 и в момент времени , — период полураспада, т. е. промежуток времени, за который количество радиоактивного вещества уменьшается в два раза. С помощью показательной функции описывается зависимость от высоты , где — давление на уровне моря, — определенная константа; ток самоиндукции в катушке после подачи постоянного напряжения.

Понятие показательной функции и ее график:

Определение: показательной функцией называется функция вида:

График показательной функции (экспонента):

Свойства показательной функции:

1. Область определения: 2. Область значений: 3. Функция ни четная, ни нечетная 4. Точки пересечения с осями координат: с осью , с осью 5. Промежутки возрастания и убывания:

функция возрастает на всей области определения

функция убывает на всей области определения

6. Промежутки знакопостоянства: 7. Наибольшего и наименьшего значений функция не имеет. 8. Для любых действительных значений выполняются равенства:

Объяснение и обоснование:

Показательной функцией. называется функция вида Например, — показательные функции. Отметим, что функция вида существует и при

Тогда то есть при всех значениях Но в этом случае функция не называется показательной. (График функции — прямая, изображенная на рис. 13.1.) Поскольку при выражение определено при всех действительных значениях то областью определения показательной функции являю тся все действительные числа. Попытаемся сначала построить графики некоторых показательных функций, например и «по точкам», а затем перейдем к характеристике общих свойств показательной функции.

Составим таблицу нескольких значений функции

Построим на координатной плоскости соответствующие точки (рис. 13.2, а) и соединим их плавной линией, которую естественно считать графиком функции у = 2′ (рис. 13.2, б).

Как видно из графика, — возрастающая функция, которая принимает все значения на промежутке Аналогично составим таблицу некоторых значений функции

Построим на координатной плоскости соответствующие точки (рис. 13.3, а) и соединим их плавной линией, которую естественно считать графиком функции (рис. 13.3, б). Как видно из графика, — убывающая функция, которая принимает все значения на промежутке

Заметим, что график функции можно получить из графика функции с помощью геометрических преобразований. Действительно Таким образом, график функции симметричен графику функции относительно оси , и поэтому, если функция является возрастающей, функция обязательно будет убывающей.

Оказывается, что всегда при график функции похож на график функции а при — на график функции (рис. 13.4). График показательной функции называется экспонентой.

Свойства показательной функции

Как отмечалось выше, областью определения показательной функции являются все действительные числа: В курсе математического анализа доказывается, что областью значений функции является множество всех положительных чисел, иначе говоря, функция принимает только положительные значения, причем любое положительное число является значением функции, то есть

Это означает, что график показательной функции всегда расположен выше оси и любая прямая, которая параллельна оси и находится выше нее, пересекает этот график.

При функция возрастает на всей области определения, а при функция убывает на всей области определения. Обоснование области значений и промежутков возрастания и убывания показательной функции проводится так: эти свойства проверяют последовательно для натуральных, целых, рациональных показателей, а затем уже переносятся на любые действительные показатели.

Следует учесть, что при введении понятия степени с иррациональным показателем мы уже пользовались возрастанием функции, когда проводили такие рассуждения: поскольку Таким образом, в нашей системе изложения материала мы можем обосновать эти свойства только для рациональных показателей, но, учитывая громоздкость таких обоснований, примем их без доказательства. Остальные свойства показательной функции легко обосновать с помощью этих свойств.

Функция не является ни четной, ни нечетной, поскольку (по определению ). Также поскольку (по свойству 1),

График и точки пересечения с осями координат

График функции пересекает ось в точке Действительно, на оси значение тогда График показательной функции не пересекает ось так как на оси но значение не принадлежит области значений функции ( только при хотя по определению ). Промежутки знакопостоянства. при всех действительных значениях поскольку при Отметим еще одно свойство показательной функции. График функции пересекает ось в точке Учитывая возрастание функции при и убывание при получаем следующие соотношения между значениями функции и соответствующими значениями аргумента:

Значение функции

Значение аргумента при

Значение функции

Значение аргумента при

Функция не имеет ни наибольшего, ни наименьшего значений, поскольку ее область значений — промежуток не содержащий ни наименьшего, ни наибольшего числа.

Свойства показательной функции:

Рассмотрим одно из характерных свойств показательной функции, выделяющее ее из ряда других функций: если то

при любых действительных значениях аргументов и выполняется равенство

Действительно, В курсах высшей математики это свойство (вместе со строгой монотонностью) является основой аксиоматического определения показательной функции. В этом случае дается определение, что показательная функция — это строго монотонная функция, определенная на всей числовой оси, которая удовлетворяет функциональному уравнению а затем обосновывается, что функция совпадает с функцией

Кроме общих свойств показательной функции при и при отметим некоторые особенности поведения графиков показательных функций при конкретных значениях Так, на рис. 13.5 приведены графики показательных функций при значениях основания

Сравнивая эти графики, можно сделать вывод: чем больше основание тем круче поднимается график функции при движении точки вправо и тем. быстрее график приближается к оси при движении точки влево. Аналогично, чем меньше основание тем круче поднимается график функции при движении точки влево и тем быстрее график приближается к оси при движении точки вправо.

Заканчивая разговор о показательной функции, укажем причины, по которым не рассматриваются показательные функции с отрицательным или нулевым основанием.

По этой причине не берут основание показательной функции (получаем постоянную функцию при) и (получаем функцию, определенную только при ). Приведенные рассуждения относительно целесообразности выбора основания показательной функции не влияют на область допустимых значений выражения (например, как мы видели выше, пара значений принадлежит его ОДЗ, и это приходится учитывать при решении некоторых задач).

Примеры решения задач:

Пример №1

Сравните значения выражений:

Решение:

1) Функция убывающая поэтому из неравенства получаем 2) Функция возрастающая поэтому из неравенства получаем

Комментарий:

Учтем, что функция при является возрастающей, а при — убывающей. Поэтому сначала сравним данное основание с единицей, а затем, сравнивая аргументы, сделаем вывод о соотношении между данными значениями функции.

Пример №2

Сравните с единицей положительное основание , если известно, что выполняется неравенство:

Решение:

1) Поскольку и по условию то функция — убывающая, следовательно, 2) Так как и по условию то функция — возрастающая, поэтому

Комментарий:

В каждом задании данные выражения — это два значения функции . Проанализируем, какое значение функции соответствует большему значению аргумента (для этого сначала сравним аргументы). Если большему значению аргумента соответствует большее значение функции, то функция является возрастающей и Если большему значению аргумента соответствует меньшее значение функции, то функция — убывающая, тогда

Пример №3

Постройте график функции:

Комментарий:

При значение следовательно, график функции всегда расположен выше оси Он пересекает ось в точке При показательная функция возрастает, а значит, ее графиком будет кривая (экспонента), точки которой при увеличении аргумента поднимаются.

При показательная функция убывает, поэтому, графиком функции будет кривая, точки которой при увеличении аргумента опускаются. (Напомним, что, опускаясь, график приближается к оси но никогда ее не пересекает.) Чтобы уточнить поведение графиков данных функций, найдем координаты нескольких дополнительных точек.

Решение:

Пример №4

Изобразите схематически график функции

Решение:

Последовательно строим графики:

Комментарий:

оставим план построения графика данной функции с помощью последовательных геометрических преобразований.

Решение показательных уравнений и неравенств

Простейшие показательные уравнения

1. Основные формулы и соотношения

График функции

возрастает;

убывает;

постоянная.

2. Схема равносильных преобразований простейших показательных уравнений

Ориентир:

Пример:

Ответ: -1.

Корней нет (поскольку для всех )

Ответ: корней нет.

3. Приведение некоторых показательных уравнений к простейшим

Ориентир:

Примеры:

Ответ:

Ответ: 2.

Объяснение и обоснование:

Показательными уравнениями обычно называют уравнения, в которых переменная входит в показатель степени (а основание этой степени не содержит переменной).

Рассмотрим простейшее показательное уравнение вида

Чтобы его найти, достаточно представить в виде Очевидно, что является корнем уравнения

Графически это проиллюстрировано на рис. 14.1.

Чтобы решить, например, уравнение достаточно представить его в виде и записать единственный корень —

Если то уравнение (при ) корней не имеет, так как всегда больше нуля. (На графиках, приведенных на рис. 14.2, прямая не пересекает график функции при ) Например, уравнение не имеет корней.

Обобщая приведенные выше рассуждения относительно решения простейших показательных уравнений, отметим, что при и уравнение вида равносильно уравнению

Коротко это утверждение можно записать так: при

Чтобы обосновать равносильность этих уравнений, достаточно заметить, что равенства (2) и (3) могут быть верными только одновременно, поскольку функция является строго монотонной и каждое свое значение принимает только при одном значении аргумента (то есть из равенства степеней (2) обязательно вытекает равенство показателей (3)). Таким образом, все корни уравнения (2) (которые обращают это уравнение в верное равенство) будут корнями и уравнения (3), и наоборот, все корни уравнения (3) будут корнями уравнения (2).

А это и означает, что уравнения (2) и (3) равносильны.

В простейших случаях при решении показательных уравнений пытаются с помощью основных формул действий над степенями привести (если это возможно) данное уравнение к виду

Для решения более сложных показательных уравнений чаще всего используют замену переменных или свойства соответствующих функций.

Заметим, что все равносильные преобразования уравнения всегда выполняются на его области допустимых значений (то есть на общей области определения для всех функций, входящих в запись этого уравнения). Областью допустимых значений (ОДЗ) показательных уравнениях чаще всего является множество всех действительных чисел. В этих случаях, как правило, ОДЗ явно не находят и не записывают в решении уравнения (см. далее решение задач 1-3). Но если в ходе решения показательных уравнений равносильные преобразования выполняются не на всем множестве действительных чисел, то в этом случае приходится вспоминать об ОДЗ.

Примеры решения задач:

Пример №5

Решите уравнение:

Решение:

1) 2) — корней нет, поскольку 5′ > 0 всегда. 3)

Комментарий:

При всегда поэтому уравнение не имеет корней. Другие уравнения приведем к виду и перейдем к равносильному уравнению

Пример №6

Решите уравнение:

Решение:

1) Данное уравнение равносильно уравнениям:

Ответ: 5.

2) Данное уравнение равносильно уравнениям:

Ответ: 1.

Комментарий:

В левой и правой частях данных уравнений стоят только произведения, частные, корни или степени.

В этом случае для приведения уравнения к виду попробуем применить основные формулы действий над степенями, чтобы записать обе части уравнения как степени с одинаковыми основаниями.

В уравнении 1 следует обратить внимание на то, что а и таким образом, левую и правую части этого уравнения можно записать как степени числа 5.

Для преобразования уравнения 2 напомним, что все формулы можно применять как слева направо, так и справа налево. Например, для левой части этого уравнения воспользуемся формулой и запишем

Пример №7

Решите уравнение

Решение:

Данное уравнение равносильно уравнениям:

Ответ: 1

Комментарий:

В левой части уравнения все члены содержат выражения вида (показатели степеней отличаются только свободными членами). В этом случае в левой части уравнения удобно вынести за скобки наименьшую степень числа 3, то есть

Пример №8

Решите уравнение

Решение:

ОДЗ: любое Рассмотрим два случая. 1) При получаем уравнение корни которого — все действительные числа из ОДЗ, то есть 2) При значение поэтому данное уравнение равносильно уравнению Отсюда тогда

Ответ: 1) при 2) при

Комментарий:

Это уравнение относительно переменной содержит параметр Анализируя основания степеней в уравнении, делаем вывод, что при любых значениях основание Функция при — возрастающая, а при — постоянная (см. графики функции ). Основание при а при всех других значениях основание Рассмотрим каждый из этих случаев отдельно:

Решение более сложных показательных уравнений и их систем

Схема поиска плана решения показательных уравнений

Ориентир:

1. Избавляемся от числовых слагаемых в показателях степеней (используя справа налево основные формулы действий над степенями» приведенные в табл. 53).

Пример:

Учитывая, что приводим все степени к одному основанию 2:

Ориентир:

2. Если возможно, приводим все степени (с переменной в показателе) к одному основанию и выполняем замену переменной.

Пример:

Замена дает уравнение Обратная замена дает тогда или — корней нет. Ответ: 1.

Ориентир:

3. Если нельзя привести к одному основанию, то пытаемся привести все степени к двум основаниям так, чтобы получить однородное уравнение (которое решается делением обеих частей уравнения на наибольшую степень одного из видов переменных).

Пример:

Приведем все степени к основаниям 2 и 3: Имеем однородное уравнение (у всех членов одинаковая суммарная степень — ). Для его решения разделим обе части на Замена дает уравнение Обратная замена дает уравнения: — корней нет или тогда

Ответ: 0.

Ориентир:

4. В других случаях переносим все члены уравнения в одну сторону и пробуем разложить полученное выражение на множители или применяем специальные приемы решения, в которых используются свойства соответствующих функций

Пример:

Если попарно сгруппировать члены в левой части уравнения и в каждой паре вынести за скобки общий множитель, то получаем Теперь можно вынести за скобки общий множитель Отсюда или Получаем два уравнения: 1) тогда 2) тогда Ответ: 2; 1.

Объяснение и обоснование:

Для решения более сложных показательных уравнений (в сравнении с теми, которые были рассмотрены в п. 14.1) чаще всего используют замену переменных. Чтобы сориентироваться, можно ли ввести замену переменных в данном показательном уравнении, часто бывает полезно в начале решения избавиться от числовых слагаемых в показателях степеней. используя формулы:

Например, в уравнении

вместо записываем произведение и получаем уравнение

равносильное данному.

Затем пробуем все степени (с переменной в показателе) привести к одному основанию и выполнить замену переменной. Например, в уравнении (2) степень с основанием 4 можно записать как степень с основанием 2: получить уравнение

Напомним общий ориентир: если в уравнение, неравенство или тождество переменная входит в одном и том же виде, то удобно соответствующее выражение с переменной обозначить одной буквой (новой переменной). Обращаем внимание на то, что Таким образом, в уравнение (3) переменная входит фактически в одном виде — поэтому удобно ввести замену Получаем квадратное уравнение

для которого находим корни, а затем выполняем обратную замену. Отметим, что как использование основных формул действий над степенями, так и использование замены и обратной замены всегда приводит к уравнению, равносильному данному на его ОДЗ (в уравнении (1) — на множестве всех действительных чисел). Это обусловлено тем, что все указанные преобразования мы можем выполнить и в прямом, и в обратном направлениях. (Таким образом, мы всегда сможем доказать, что каждый корень первого уравнения является корнем второго, и наоборот, аналогично тому, как был обоснован равносильный переход для простейших показательных уравнений).

В тех случаях, когда все степени (с переменной в показателе) в показательном уравнении, которое не приводится непосредственно к простейшему, не удается привести к одному основанию, следует попытаться привести все степени к двум основаниям так, чтобы получить однородное уравнение. Например, рассмотрим уравнение

Все степени в этом уравнении можно записать через основания 2 и 3, поскольку

Получаем уравнение

Все одночлены, стоящие в левой части этого уравнения, имеют степень (степень одночлена также равна ). Напомним ориентир:

Если все члены, уравнения, в левой и правой частях которого стоят многочлены от двух переменных (и ли от двух функций одной переменной), имеют одинаковую суммарную степень*, то уравнение называется однородным.

Решается однородное уравнение делением обеих его частей на наибольшую степень одной из переменных.

Следовательно, уравнение (6) является однородным и его можно решить делением обеих частей или на или на Отметим, что при всех значениях выражения и не равны нулю. Таким образом, при делении на эти выражения не может произойти потери корней (как это могло быть, например, для однородных тригонометрических уравнений). В результате деления обеих частей уравнения на любое из этих выражений всегда получается уравнение, равносильное данному. Например, если разделить обе части уравнения (6) на получаем или после сокращения В последнем уравнении все члены можно представить как степени с одним основанием и выполнить замену

Далее решение полученного уравнения полностью аналогично решению уравнения (2). Полное решение этого уравнения приведено в табл. 19.

Составляя план решения показательного уравнения, необходимо учитывать, что при решении некоторых из них целесообразно перенести все члены уравнения в одну сторону и попытаться разложить полученное выражение на множители, например, с использованием группировки членов, как это сделано в табл. 19 для уравнения

Для решения некоторых показательных уравнений можно применить свойства соответствующих функций.

Примеры решения задач:

Пример №9

Решите уравнение

Решение:

Замена Получаем Тогда Отсюда

Обратная замена дает уравнения: — корней нет или тогда Ответ: 1.

Комментарий:

В данное уравнение переменная входит только в одном виде поэтому удобно ввести замену и, получив дробное уравнение, найти его корни, а затем выполнить обратную замену.

Как уже отмечалось, замена и обратная замена — это равносильные преобразования данного уравнения, но при решении полученного дробного уравнения следует позаботиться о том, чтобы не получить посторонних корней (для этого, например, достаточно учесть, что и поэтому ОДЗ полученного уравнения: будет учтена автоматически).

*Конечно, если уравнение имеет вид (где — многочлен), то речь идет только о степени членов многочлена , поскольку нуль-многочлен степени не имеет.

Пример №10

Решите уравнение

Решение:

Замена дает уравнение Обратная замена дает тогда или — корней нет. 5 Ответ: 0.

Комментарий:

1. Избавляемся от числовых слагаемых в показателях степеней.
2. Приводим все степени (с переменной в показателе) к одному основанию 5.
3. Выполняем замену решаем полученное уравнение, производим обратную замену и решаем полученные простейшие показательные уравнения (а также учитываем, что все преобразования были равносильными).

Пример №11

Решите уравнение

Решение:

Ответ: 2.

Комментарий:

При решении систем уравнений, содержащих показательные функции, чаще всего используются традиционные методы решения систем уравнений: метод подстановки и метод замены переменных.

Пример №12

Решите систему уравнений

Решение:

Из первого уравнения системы Тогда из второго уравнения получаем то есть Замена дает уравнение из которого получаем уравнение имеющее корни: Обратная замена дает тогда или откуда Находим соответствующие значения если если Ответ:

Комментарий:

Если из первого уравнения выразить через и подставить во второе уравнение, то получим показательное уравнение, которое мы умеем решать (аналогично решению задачи 2). Выполняя замену, учитываем, что Тогда в полученном дробном уравнении знаменатель Таким образом, это дробное уравнение равносильно уравнению

Пример №13

Решите систему уравнений

Решение:

Замена и дает систему уравнений и Из второго уравнения этой системы имеем Далее из первого уравнения получаем Отсюда тогда Обратная замена дает уравнения: тогда отсюда тогда отсюда Ответ: (2; 2).

Комментарий:

Если обозначить и то Тогда данная система будет равносильна алгебраической системе, которую легко решить.

Решение показательных неравенств

1. График показательной функции

2. Схема равносильных преобразований простейших показательных неравенств

— знак неравенства сохраняется

— знак неравенства меняется на противоположный

Примеры:

Функция является возрастающей, следовательно:

Ответ:

Функция убывающая, следовательно:

Ответ:

3. Решение более сложных показательных неравенств

Ориентир:

I. С помощью равносильных преобразований (по схеме решения показательны х уравнений) данное неравенство приводится к неравенству известного вида (квадратному, дробному и др.).

После решения полученного неравенства приходим к простейшим показательным неравенствам.

Пример:

Замена дает неравенство решения которого или (см. рисунок).

Обратная замена дает (ре шений нет) или откуда то есть Ответ:

II. Применяем метод интервалов, приводя данное неравенство к виду и используя схему:

Найти ОДЗ.
Найти нули
Отметить пули функции на ОДЗ и найти знак в каждом из промежутков, на которые разбивается ОДЗ. 4. Записать ответ, учитывая знак неравенства.

Пример:

Решим неравенство методом интервалов. Данное неравенство равносильно неравенству

Обозначим

ОДЗ:
Нули функции:
Поскольку функция является возрастающей (как сумма двух возрастающих функций), то значение, равное нулю, она принимает только в одной точке области определения:
Отмечаем нули функции на ОДЗ, находим знак в каждом из промежутков, на которые разбивается ОДЗ, и записываем решение неравенства

Ответ:

Объяснение и обоснование:

Решение простейших показательных неравенств вида (или где и ) основывается на свойствах функции которая возрастает при и убывает при Например, чтобы найти решение неравенства при достаточно представить в виде Получаем неравенство

(1)

При функция возрастает, следовательно, большему значению функции соответствует большее значение аргумента, поэтому из неравенства (1) получаем (знак этого неравенства совпадает со знаком неравенства(1)). При функция убывает, следовательно, большему значению функции соответствует меньшее значение аргумента, поэтому из неравенства (1) получаем (знак этого неравенства противоположен знаку неравенства (1)).

Графически это проиллюстрировано на рис. 14.3.

Например, чтобы решить неравенство достаточно представить это неравенство в виде учесть, что (функция возрастающая, следовательно, при переходе к аргументам знак неравенства не меняется), и записать решение:

Решение данного неравенства можно записывать в виде или в виде промежутка

Аналогично, чтобы решить неравенство достаточно представить это неравенство в виде учесть, что (функция убывающая, таким образом, при переходе к аргументам знак неравенства меняется на противоположный), и записать решение:

Учитывая, что при любых положительных значениях значение всегда больше нуля, получаем, что при неравенство решений не имеет, а неравенство выполняется при всех действительных значениях

Например, неравенство не имеет решений, а решениями неравенства являются все действительные числа.

Обобщая приведенные выше рассуждения относительно решения простейших показательных неравенств, отметим, что при неравенство равносильно неравенству а при О < а < 1 — неравенству Коротко это утверждение можно записать так.

Чтобы обосновать равносильность соответствующих неравенств, достаточно заметить, что при неравенства

могут быть верными только одновременно, поскольку функция при возрастающая и большему значению функции соответствует большее значение аргумента (и наоборот: большему значению аргумента соответствует большее значение функции). Таким образом, все решения неравенства (2) (которые обращают его в верное числовое неравенство) будут и решениями неравенства (3), и наоборот: все решения неравенства (3) будут решениями неравенства (2). А это и означает, что неравенства (2) и (3) равносильны. Аналогично обосновывается равносильность неравенств и при

В простейших случаях при решении показательных неравенств, как и при решении показательных уравнений, пытаются с помощью основных формул действий над степенями привести (если это возможно) данное неравенство к виду

Для решения более сложных показательных неравенств чаще всего используют замену переменных или свойства соответствующих функций.

Заметим, что аналогично решению показательных уравнений все равносильные преобразования неравенства всегда выполняются на его области допустимых значений (общей области определения для всех функций, входящих в запись этого неравенства). Для показательных неравенств достаточно часто областью допустимых значений (ОДЗ) является множество всех действительных чисел. В этих случаях, как правило, ОДЗ явно не находят и не записывают в решение неравенства (см. далее задачу 1). Но если в процессе решения показательного неравенства равносильные преобразования выполняются не на всем множестве действительных чисел, то в этом случае приходится учитывать ОДЗ (см. далее задачу 2).

Заказать решение задач по высшей математике

Примеры решения задач:

Пример №14

Решите неравенство

Решение:

Поскольку функция у убывающая, то Отсюда (см. рисунок).

Ответ:

Комментарий:

Запишем правую часть неравенства как степень числа Поскольку то при переходе от степеней к показателям знак неравенства меняется на противоположный (получаем неравенство, равносильное данному). Для решения полученного квадратного неравенства используем графическую иллюстрацию.

Пример №15

Решите неравенство

Решение:

ОДЗ: Замена дает неравенство равносильное неравенству Поскольку получаем Отсюда Учитывая, что имеем Выполняя обратную замену, получаем Тогда Функция возрастающая, таким образом, Учитывая ОДЗ, получаем Ответ:

Комментарий:

Поскольку равносильные преобразования неравенств выполняются на ОДЗ исходного неравенства, то зафиксируем эту ОДЗ. Используя и формулу избавляемся от а числового слагаемого в показателе степени и получаем степени с одним основанием 3, что позволяет ввести замену В полученном неравенстве знаменатель положителен, поэтому это дробное неравенство можно привести к равносильному ему квадратному. После выполнения обратной замены следует учесть не только возрастание функции но и ОДЗ исходного неравенства.

Пример №16

Решите неравенство

Решение:

Решим неравенство методом интервалов. Обозначим 1. ОДЗ: 2. Нули функции:

Замена Получаем Обратная замена дает: или

Отсюда 3. Отметим нули функции на ОДЗ, находим знак в каждом из полученных промежутков и записываем решения неравенства

Ответ:

Комментарий:

Данное неравенство можно решать или приведением к алгебраическому неравенству, или методом интервалов. Для решения его методом интервалов используем схему, приведенную в табл. 20. При нахождении нулей функции приведем все степени к двум основаниям (2 и 3), чтобы получить однородное уравнение. Это уравнение решается делением обеих частей на наивысшую степень одного из видов переменных — на Учитывая, что при всех значениях в результате деления на получаем уравнение, равносильное предыдущему. Разумеется, для решения данного неравенства можно было учесть, что всегда, и после деления данного неравенства на и замены получить алгебраическое неравенство.

Пример №17

Решите неравенство

Комментарий:

Данное нестрогое неравенство также удобно решать методом интервалов. При этом следует учитывать, что в случае, когда мы решаем нестрогое неравенство все нули функции должны войти в ответ.

Решение:

Обозначим 1. ОДЗ: Тогда или (см. рисунок).

2. Нули функции: Тогда или Из первого уравнения: — не принадлежит ОДЗ, а из второго: 3. Отмечаем нули на ОДЗ, находим знак в каждом из промежутков, на которые разбивается ОДЗ, и записываем решение неравенства Ответ:

Определение и вычисление показательной функции

Если величины и связаны уравнением (где ), то величина у называется показательной функцией от . Возьмем для примера , тогда . Будем давать значения, равные нулю и целым положительным числам, тогда будет принимать значения, указанные в таблице:

Мы видим, что если придавать независимому переменному значения, увеличивающиеся в арифметической прогрессии, то у будет расти в геометрической прогрессии со знаменателем, равным 2.

Вообще, если в уравнении независимое переменное увеличивается в арифметической прогрессии, то функция возрастает в геометрической прогрессии со знаменателем . Если независимое переменное уменьшать, придавая ему целые отрицательные значения, то у будет уменьшаться в геометрической прогрессии со знаменателем . В самом деле, взяв уравнение , составим таблицу:

Приняв за абсциссу, а за ординату точки, построим точки, полученные в таблицах, и соединим их плавной кривой. Тогда получим кривую линию, изображенную на рис. 31. Эта линия называется графиком показательной функции.

Отметим, что показательная функция нигде не обращается в нуль, т. е. ее график нигде не пересекает ось .

Аналогичный график имеет и любая показательная функция с основанием, большим единицы ().

Если же взять основание положительное, но меньшее единицы (), то график будет иметь вид, изображенный на рис. 32.

Показательная функция — практическое занятие с решением

1) Составьте таблицу значений для функций и .

2) На координатной плоскости постройте точки, абсциссы которых соответствуют аргументам, а ординаты значениям функции и соедините сплошной кривой линией.

3) Сравните с значение выражения и для произвольных значений х.

4) Увеличиваются или уменьшаются значения функции при увеличении значений х ? Увеличиваются или уменьшаются значения функции при увеличении значений х?

5) В какой точке графики пересекают ось у ?

6) Сравните графики и запишите их сходные и отличительные черты.

7) Выполните задание для функций .

При а > 0, функция называется показательной функцией.

1) Область определения показательной функции все действительные числа.

2) Множество значений показательной функции все положительные

числа.

3) Так как = 1(при х = 0), то показательная функция пересекает ось у в точке (0; 1).

4) При а > 1 функция возрастающая, при функция убывающая.

5) Показательная функция не пересекает ось абсцисс и её график расположен выше оси х, т.е. в верхней полуплоскости.

Функция и её график называется экспонентой.

Экспонента при изменении аргумента увеличивается или уменьшается с большой скоростью.

6) При , если х бесконечно возрастают, соответствующие значения у бесконечно убывают и точки графика функции неограниченно стремятся к оси абсцисс. При точки на графике неограниченно стремятся к оси абсцисс.

Экспоненциально возрастающая и экспоненциально убывающие функции

Функция также называется экспоненциальной функцией.

Например: функцию можно записать в виде

Пример:

По графику функции зададим её уравнение.

Решение:

Составим таблицу значений.

Из таблицы значений видно, что при увеличении значений х на 1 единицу, значения у уменьшаются в .

Значит, .Тогда формула функции будет:

Пример:

При каких значениях переменных справедливо следующие:

а)равенство ; б) неравенство ; в) неравенство ?

Решение:

а) запишем равенство в виде . Здесь по свойству степени с действительным показателем х = 3.

б)запишем неравенство в виде . Здесь ясно, что .

в)запишем неравенство в виде (в виде степени с одинаковым основанием), степени с основанием меньше 1. Получим, что .

Преобразование графиков показательных функций

Общий вид показательной функции . Функция вида является основной функцией в семействе показательных функций. Выполняя различные преобразования можно построить графики следующих функций

•График в раз растягивается от оси х.

Например.

•При происходит отражение относительно оси х.

Например. График функции

можно построить при помощи графика функции

используя параллельный перенос.

Пример №18

Построим график функции при помощи параллельного переноса графика функции . 1.Для функции отметим точки (0; 3), (1; 6); (2; 12) и соединим эти точки гладкой линией. Прямая у = 0 является асимптотой 2.График функции перенесём параллельно на одну единицу влево и на одну единицу вверх (на вектор (-1; 1)), найдём новые координаты указанных точек и расположим их на координатной плоскости. Соединим эти точки гладкой линией и получим график функции .

Прямая у = 1 является горизонтальной асимптотой.

В реальной жизни, при ежегодном увеличении величины на постоянный процент, её состояние через лет можно оценить формулой , при уменьшении — формулой .Здесь а — начальное количество, — процент увеличения (уменьшения) ( десятичная дробь), -количество лет.

При помощи данных формул решим следующее задание.

Пример №19

Цена автомобиля купленного за 24 ООО руб ежегодно снижается на 12%. Запишем зависимость между количеством лет эксплуатации автомобиля и его ценой.

Решение.

В формулепримем а = 24000, = 12% = 0,12, 1 — = 0,88.

Тогда данную ситуацию можно смоделировать показательной

функцией .

Показательная функция. Число е.

Исследование:

Представьте, что вы вложили в банк 1 руб, под сложные проценты с процентной ставкой равной 100%. В течении года вы произвели вычислений раз, подставив в формулу сложного процентного роста следующие данные .

Вычислите значения функции и установите, к какому числу приближается значение функции при различных значениях .

Как видно, если банк будет чаще вычислять процент для вложенной суммы, то прибыль увеличится. Однако, отношение ежедневных вычислений к ежемесячным даёт прибыль 10 гяпик. Если даже банк будет находить процент для денег на счету ежесекундно , то и в данном случае разница между начислением процентов ежечасно или ежедневно будет незначительна. Из графика функции построенного при помощи графкалькулятора видно, что при функция имеет горизонтальную асимптоту.

Число е:

Исследование показывает, что при увеличении значений значение выражения колеблется между 2,71 и 2,72. Это число записывается буквой е и имеет значение е = 2,718 281 828 459… .

Число е, так же как и число является иррациональным числом. Эти числа называются трансцендентными числами. Трансцендентным называется число, которое не является корнем уравнения степени с целыми коэффициентами. Экспоненциальное возрастание или убывание по основанию е задаётся формулой . Здесь N_o-начальное значение, t -время, -постоянное число.

График функции y=e^x

График функции .

Для построения графика функции можно использовать различные граф калькуляторы. Например, (http://www.meta-calculator.com/onlinc) или как показано на рисунке, при помощи программы Geometer’s Sketchpad®.

Показательная и логарифмическая функции их свойства и график

Понятие показательной функции и ее график:

Определение. Показательной функцией называется функция вида

График показательной функции (экспонента)

1. Область определения:

2. Область значений:

3. Функция ни четная, ни нечетная.

4. Точки пересечения с осями координат:

с осью

5. Промежутки возрастания и убывания:

функция при возрастает на всей области определения

функция при убывает на всей области определения

6. Промежутки знакопостоянства:

8. Для любых действительных значений выполняются равенства:

Понятие показательной функции

Показательной функцией называется функция вида

Например, показательная функция

Отметим, что функция вида существует и при

Тогда при всех значениях Но в этом случае функция не называется показательной. (График функции — прямая, изображенная на рис. 118.)

Поскольку при выражение определено при всех действительных значениях то областью определения показательной функции являются все действительные числа.

Попытаемся сначала построить графики некоторых показательных функций, например «по точкам», а затем перейдем к характеристике общих свойств показательной функции.

Составим таблицу некоторых значений функции

Построим на координатной плоскости соответствующие точки (рис. 119, а) и соединим эти точки плавной линией, которую естественно считать графиком функции (рис. 119,6).

Как видим из графика, функция является возрастающей функцией, которая принимает все значения на промежутке

Аналогично составим таблицу некоторых значений функции

Построим на координатной плоскости соответствующие точки (рис. 120, а) и соединим эти точки плавной линией, которую естественно считать графиком функции (рис. 120, б).

Как видим из графика, функция является убывающей функцией, которая принимает все значения на промежутке. Заметим, что график функции можно получить из графика функции с помощью геометрических преобразований. Действительно,

Таким образом, график функции симметричен графику функции относительно оси (табл. 4, с. 28), и поэтому, если функция является возрастающей, функция обязательно будет убывающей.

Оказывается, что всегда при график функции похож на график функции — на график функции (рис. 121). График показательной функции называется экспонентой.

Свойства показательной функции

Как было обосновано выше, областью определения показательной функции являются все действительные числа:

Областью значений функции является множество всех положительных чисел, то есть функция принимает только положительные значения, причем любое положительное число является значением функции, то есть

При функция возрастает на всей области определения, при функция убывает на всей области определения.

Обоснование области значений и промежутков возрастания и убывания показательной функции проводится так: эти свойства проверяются последовательно для натуральных, целых, рациональных показателей, а затем уже переносятся на любые действительные показатели.

Следует учесть, что при введении понятия степени с иррациональным показателем мы уже пользовались возрастанием функции, когда проводили такие рассуждения: поскольку Таким образом, в нашей системе изложения материала мы можем обосновать эти свойства только для рациональных показателей, но, учитывая громоздкость таких обоснований, примем их без доказательства. Все остальные свойства показательной функции легко обосновываются с помощью этих свойств.

Функция не является ни четной, ни нечетной, поскольку (по определению Также поскольку (по свойству 1), а

Точки пересечения с осями координат. График функции пересекает ось в точке Действительно, на оси значение тогда

График показательной функции не пересекает ось поскольку на оси но значение не принадлежит области значений показательной функции только при но по определению

Промежутки знакопостоянства. при всех действительных значениях поскольку

Отметим еще одно свойство показательной функции. Поскольку график функции пересекает ось в точке то, учитывая возрастание функции при и убывание при получаем следующие соотношения между значениями функции и соответствующими значениями аргумента:

Функция не имеет ни наибольшего, ни наименьшего значений, поскольку ее область значений — промежуток который не содержит ни наименьшего, ни наибольшего числа.

Свойства показательной функции, приведенные в пункте 8 таблицы 49:

были обоснованы в разделе 3.

Отметим еще одно свойство показательной функции, которое выделяет ее из ряда других функций: если то при любых действительных значениях аргументов выполняется равенство

Кроме общих свойств показательной функции при отметим некоторые особенности поведения графиков показательных функций при конкретных значениях Так, на рисунке 122 приведены графики показательных функций при значениях основания

Сравнивая эти графики, можно сделать вывод: чем больше основание тем круче поднимается график функции при движении точки вправо и тем быстрее график приближается к оси при движении точки влево. Аналогично, чем меньше основание тем круче поднимается график функции при движении точки влево и тем быстрее график приближается к оси при движении точки вправо.

Заканчивая разговор о показательной функции, укажем те причины, которые мешают рассматривать показательные функции с отрицательным или нулевым основанием.

Отметим, что выражение можно рассматривать и при и при Но в этих случаях оно уже будет определено не при всех действительных значениях как показательная функция В частности, выражение определено при всех (и тогда а выражение — при всех целых значениях ( например По этой причине не берут основание показательной функции (получаем постоянную функцию при и (получаем функцию, определенную только при достаточно «редких» значениях Приведенные рассуждения относительно целесообразности выбора основания показательной функции не влияют на область допустимых значений выражения (например, как мы видели выше, пара значений принадлежит его ОДЗ, и это приходится учитывать при решении некоторых задач).

Примеры решения задач:

Пример №20

Сравните значения выражений:

Решение:

1) Функция является убывающей поэтому из неравенства получаем

2) Функция является возрастающей поэтому из неравенства получаем

Комментарий:

Учтем, что функция является возрастающей, а при — убывающей. Поэтому сначала сравним данное основание с единицей, а затем, сравнивая аргументы, сделаем вывод о соотношении между данными значениями функции.

Пример №21

Сравните с единицей положительное основание а, если известно, что выполняется неравенство:

Решение:

1) Поскольку и по условию то функция является убывающей, следовательно,

2) Поскольку и по условию то функция является возрастающей, следовательно,

Комментарий:

В каждом задании данные выражения — это два значения функции

Проанализируем, какое значение функции соответствует большему значению аргумента (для этого сначала сравним аргументы).

Если большему значению аргумента соответствует большее значение функции, то функция является возрастающей и Если большему значению аргумента соответствует меньшее значение функции, то функция является убывающей, и тогда

Пример №22

Постройте график функции:

Комментарий:

При значение следовательно, график функции всегда расположен выше оси Этот график пересекает ось в точке

При показательная функция возрастает, следовательно, ее графиком будет кривая (экспонента), точки которой при увеличении аргумента поднимаются.

При показательная функция убывает, следовательно, графиком функции будет кривая, точки которой при увеличении аргумента опускаются. (Напомним, что, опускаясь вниз, график приближается к оси но никогда ее не пересекает.)

Чтобы уточнить поведение графиков данных функций, найдем координаты нескольких дополнительных точек.

Решение:

Пример №23

Изобразите схематически график функции

Решение:

Последовательно строим графики:

Комментарий:

Составим план построения графика данной функции с помощью последовательных геометрических преобразований (табл. 4 на с. 28). 1. Мы можем построить график функции основание показательная функция убывает).

2. Затем можно построить график функции справа от оси (и на самой оси) график функции остается без изменений, и эта же часть графика отображается симметрично относительно оси

3. После этого можно построить график функции

параллельно перенести график вдоль оси на (-3) единицы.

4. Затем можно построить график данной функции выше оси (и на самой оси) график функции должен остаться без изменений(но таких точек у графика функции нет, а ниже оси — график функции необходимо отобразить симметрично относительно оси

Решение показательных уравнении и неравенств

Основные формулы и соотношения:

График функции

— возрастает

— убывает

— постоянная

Схема равносильных преобразований простейших показательных уравнений:

Ориентир:

При

Пример №24

Ответ: —1

Корней нет (поскольку для всех

Ответ: корней нет.

Приведение некоторых показательных уравнений к простейшим:

1) Если в левой и правой частях показательного уравнения стоят только произведения, частные, корни или степени, то целесообразно с помощью основных формул попробовать записать обе части уравнения как степени с одним основанием.

Пример №25

Ответ:

2) Если в одной части показательного уравнения стоит число, а в другой все члены содержат выражение вида (показатели степеней отличаются только свободными членами), то удобно в этой части уравнения вынести за скобки наименьшую степень

Пример №26

Ответ: 2

Объяснение и обоснование:

Показательными уравнениями обычно называют уравнения, в которых переменная входит в показатель степени (а основание этой степени не содержит переменной).

Простейшие показательные уравнения

Рассмотрим простейшее показательное уравнение вида

где Поскольку при этих значениях функция строго монотонна (возрастает при и убывает при то каждое свое значение она принимает только при одном значении аргумента. Это означает, что уравнение имеет единственный корень. Чтобы его найти, достаточно представить

Очевидно, что является корнем уравнения

Графически это проиллюстрировано на рисунке 123.

Например, чтобы решить уравнение достаточно представить это уравнение в виде и записать его единственный корень

Если то уравнение корней не имеет, поскольку всегда больше нуля. (На графиках, приведенных на рисунке 124, прямая не пересекает график функции

Например, уравнение не имеет корней.

Обобщая приведенные выше рассуждения относительно решения простейших показательных уравнений, отметим, что при уравнение вида

равносильно уравнению

Коротко это утверждение можно записать так: при

В простейших случаях при решении показательных уравнений пытаются с помощью основных формул действий над степенями (см. таблицу 46) привести (если это возможно) данное уравнение к виду

Для решения более сложных показательных уравнений чаще всего используют замену переменных (применение этого метода рассмотрено в табл. 51, с. 344) или свойства соответствующих функций (применение этих методов рассмотрено в табл. 58, с. 403).

Заметим, что все равносильные преобразования уравнения всегда выполняются на его области допустимых значений (то есть на общей области определения для всех функций, входящих в запись этого уравнения). Но в показательных уравнениях чаще всего областью допустимых значений (ОДЗ) является множество всех действительных чисел. В этих случаях, как правило, ОДЗ явно не находят и не записывают в решении уравнения (см. ниже задачи 1-3). Но если в ходе решения показательных уравнений равносильные преобразования выполняются не на всем множестве действительных чисел, то в этом случае приходится вспоминать об ОДЗ (задача 4″ на с. 343).

Примеры решения задач:

Пример №27

Решите уравнение:

Решение:

2) — корней нет, поскольку всегда;

Комментарий:

При всегда поэтому уравнение не имеет корней.

Другие уравнения приведем к виду и перейдем к равносильному уравнению

Пример №28

Решите уравнение:

Решение:

1) Данное уравнение равносильно уравнениям:

Ответ: 5.

2) Данное уравнение равносильно уравнениям:

Ответ: 1.

Комментарий:

В левой и правой частях данных уравнений стоят только произведения, частные, корни или степени. В этом случае для приведения уравнения к виду попробуем применить основные формулы действий над степенями, чтобы записать обе части уравнения как степени с одним основанием.

В уравнении 1 следует обратить внимание на то, что а таким образом, левую и правую части этого уравнения можно записать как степени числа 5.

Для преобразования уравнения 2 напомним, что все формулы можно применять как слева направо, так и справа налево, например для левой части этого уравнения воспользуемся формулой то есть запишем

Пример №29

Решите уравнение

Решение:

Данное уравнение равносильно уравнениям:

Ответ: 1.

Комментарий:

Пример №30

Решите уравнение

Решение:

► ОДЗ:

Рассмотрим два случая.

1) При получаем уравнение корни которого — все действительные числа из ОДЗ, то есть

2) При значение и тогда данное уравнение равносильно уравнению

Отсюда

Ответ: 1) при

2) при

Комментарий:

Это уравнение относительно переменной которое содержит параметр Анализируя основания степеней в уравнении, делаем вывод, что при любых значениях основание Функция является возрастающей, а при — постоянной (см. графики функции в табл. 50).

Основание а при всех других значениях основание

Рассмотрим каждый из этих случаев отдельно, то есть:

Решение более сложных показательных уравнений и их систем

Схема поиска плана решения показательных уравнений:

Избавляемся от числовых слагаемых в показателях степеней (используя справа налево основные формулы действий над степенями, приведенные в табл. 50).
Если возможно, приводим все степени (с переменной в показателе) к одному основанию и выполняем замену переменной.

Учитывая, что приводим все степени к одному основанию 2: Замена дает уравнение

Обратная замена дает тогда корней нет.

Ответ: 1.

3. Если нельзя привести к одному основанию, то пытаемся привести все степени к двум основаниям так, чтобы получить однородное уравнение (которое решается делением обеих частей уравнения на наибольшую степень одного из видов переменных).

Приведем все степени к двум основаниям 2 и 3:

Имеем однородное уравнение (у всех членов одинаковая суммарная степень — Для его решения разделим обе части на

Замена дает уравнение Обратная замена дает — корней нет или тогда Ответ: 0.

4. В других случаях переносим все члены уравнения в одну сторону и пробуем разложить полученное уравнение на множители или применяем специальные приемы решения, в которых используются свойства соответствующих функций.

Если попарно сгруппировать члены в левой части уравнения и в каждой паре вынести за скобки общий множитель, то получаем

Теперь можно вынести за скобки общий множитель

Тогда Получаем два уравнения:

Ответ: 2; 1.

Объяснение и обоснование:

Для решения более сложных показательных уравнений (в сравнении с теми, которые были рассмотрены в предыдущем пункте 30.1) чаще всего используют замену переменных. Чтобы сориентироваться, можно ли ввести замену переменных в данном показательном уравнении, часто бывает полезно в начале решения избавиться от числовых слагаемых в показателях степеней, используя формулы: Например, в уравнении вместо записываем произведение и получаем уравнение равносильное заданному.

Обращаем внимание на то, что Таким образом, в уравнение (3) переменная входит фактически в одном виде — поэтому в этом уравнении удобно ввести замену Получаем квадратное уравнение для которого находим корни, а затем выполняем обратную замену (см. решение в табл. 51).

Отметим, что как использование основных формул действий над степенями, так и использование замены и обратной замены всегда приводит к уравнению, равносильному данному на его ОДЗ (в уравнении (1) — на множестве всех действительных чисел). Это обусловлено тем, что все указанные преобразования мы можем выполнить и в прямом, и в обратном направлениях. (Таким образом, мы всегда сможем доказать, что каждый корень первого уравнения является корнем второго и наоборот, аналогично тому, как был обоснован равносильный переход для простейших показательных уравнений на с. 341).

Например, рассмотрим уравнение

Все степени в этом уравнении можно записать через основания 2 и 3, поскольку

Получаем уравнение

Все одночлены, стоящие в левой части этого уравнения, имеют степень (степень одночлена также равна

Напомним (см. раздел 2, с. 172):

Если все члены уравнения, в левой и правой частях которого стоят многочлены от двух переменных (или от двух функций одной переменной), имеют одинаковую суммарную степень, то уравнение называется однородным.

Решается однородное уравнение делением обеих его частей на наибольшую степень одной из переменных.

Следовательно, уравнение (6) является однородным, и его можно решить делением обеих частей или на или на Отметим, что при всех значениях выражения не равны нулю. Таким образом, при делении на эти выражения не может произойти потери корней (как это могло быть, например, для однородных тригонометрических уравнений). В результате деления обеих частей уравнения на любое из этих выражений всегда получается уравнение, равносильное данному. Например, если разделить обе части уравнения (6) на получаем

или после сокращения

В последнем уравнении все члены можно представить как степени с одним основанием и выполнить замену Далее решение полученного уравнения полностью аналогично решению уравнения (2). Полное решение этого уравнения приведено в таблице 51.

Составляя план решения показательного уравнения, необходимо учитывать, что при решении некоторых из них целесобразно перенести все члены уравнения в одну сторону и попытаться разложить полученное выражение на множители, например, с использованием группировки членов, как это сделано в таблице 51 для уравнения

Для решения некоторых показательных уравнений можно применить свойства соответствующих функций.

Примеры решения задач:

Пример №31

Решите уравнение

Решение:

Замена Получаем

Тогда Отсюда

Обратная замена дает

— корней нет или тогда

Ответ: 1.

Комментарий:

В данное уравнение переменная входит только в одном виде и поэтому удобно ввести замену и, получив дробное уравнение, найти его корни, а затем выполнить обратную замену.

Пример №32

Решите уравнение

Решение:

Замена дает уравнение

Обратная замена дает тогда

корней нет

Ответ: 0.

Комментарий:

Избавляемся от числовых слагаемых в показателях степеней.
Приводим все степени (с переменной в показателе) к одному основанию 5.
Выполняем замену решаем полученное уравнение, производим обратную замену и решаем полученные простейшие показательные уравнения (а также учитываем, что все преобразования были равносильными).

Пример №33

Решите уравнение

Решение:

Ответ: 2

Комментарий:

Избавляемся от числовых слагаемых в показателях степеней,переносим все члены уравнения в одну сторону и приводим подобные члены.
Замечаем, что степени всех членов полученного уравнения (с двумя основаниями 2 и 3) одинаковые — следовательно, это уравнение однородное. Его можно решить делением обеих частей на наибольшую степень одного из видов выражений с переменной — или на или на Учитывая, что при всех значениях в результате деления на получаем уравнение, равносильное предыдущему (а значит, и заданному).

Пример №34

Решите систему уравнений

Решение:

Из первого уравнения системы

Тогда из второго уравнения получаем то есть Замена дает уравнение из которого получаем уравнение имеющее корни: Обратная замена дает тогда откуда Находим соответствующие значения если если

Ответ:

Комментарий:

Если из первого уравнения выразить через и подставить во второе уравнение, то получим показательное уравнение, которое мы умеем решать (аналогично решению задачи 2).

Выполняя замену, учитываем, что Тогда в полученном дробном уравнении знаменатель Таким образом, это дробное уравнение равносильно уравнению

Пример №35

Решите систему уравнений

Решение:

Замена и дает систему

Из второго уравнения этой системы имеем Тогда из первого уравнения получаем Отсюда Обратная замена дает

Ответ:

Комментарий:

Если обозначить то

Тогда данная система будет равносильна алгебраической системе, которую легко решить.

После обратной замены получаем систему простейших показательных уравнений

Решение показательных неравенств

График показательной функции :

Схема равносильных преобразований простейших показательных неравенств:

знак неравенства сохраняется знак неравенства меняется на противоположный

Пример №36

. Функция является возрастающей, следовательно:

Ответ:

Пример №37

Функция убывающая, следовательно:

Ответ:

Решение более сложных показательных неравенств

I. С помощью равносильных преобразований (по схеме решения показательных уравнений, табл. 51) данное неравенство приводится к неравенству известного вида (квадратному, дробному и т. д.). После решения полученного неравенства приходим к простейшим показательным неравенствам.

Пример №38

Замена дает неравенство решения которого (см. рисунок).

Обратная замена дает (решений нет) или откуда

Ответ:

II. Применяем общий метод интервалов, приводя данное неравенство к виду f (x)0 и используя схему:

1. Найти ОДЗ.

2. Найти нули

3. Отметить нули функции на ОДЗ и найти знак в каждом из промежутков, на которые разбивается ОДЗ.

4. Записать ответ, учитывая знак неравенства.

Решим неравенство методом интервалов. Данное неравенство равносильно неравенству Обозначим

1. ОДЗ:

2. Нули функции:

Поскольку функция является возрастающей (как сумма двух возрастающих функций), то значение, равное нулю, она принимает только в одной точке области определения:

3. Отмечаем нули функции на ОДЗ, находим знак в каждом из промежутков, на которые разбивается ОДЗ, и записываем решение неравенства

Ответ:

Объяснение и обоснование:

Решение простейших показательных неравенств вида где основывается на свойствах функции которая возрастает при и убывает при Например, чтобы найти решение неравенства достаточно представить в виде Получаем неравенство

При функция убывает, следовательно, большему значению функции соответствует меньшее значение аргумента, поэтому из неравенства (1) получаем (знак этого неравенства противоположен знаку неравенства (1)).

Графически это проиллюстрировано на рисунке 125.

Например, чтобы решить неравенство достаточно представить это неравенство в виде учесть, что (функция является возрастающей, следовательно, при переходе к аргументам знак неравенства не меняется), и записать решение:

Заметим, что решение данного неравенства можно записывать в виде или в виде промежутка

Аналогично, чтобы решить неравенство Достаточно представить это неравенство в виде Учесть что (Функция является убывающей, таким образом, при переходе к аргументам знак неравенства меняется на противоположный), и записать решение:

Учитывая, что при любых положительных значениях а значение всегда больше нуля, получаем, что при неравенство решений не имеет, а неравенство выполняется при всех действительных значениях

Например, неравенство не имеет решений, а решениями неравенства являются все действительные числа.

Обобщая приведенные выше рассуждения относительно решения простейших показательных неравенств, отметим, что при неравенство равносильно неравенству а при — неравенству

При (знак неравенства сохраняется).

При (знак неравенства меняется на противоположный).

Чтобы обосновать равносильность соответствующих неравенств, достаточно заметить, что при неравенства могут быть верными только одновременно, поскольку функция при является возрастающей и большему значению функции соответствует большее значение аргумента (и наоборот: большему значению аргумента соответствует большее значение функции). Таким образом, все решения неравенства (2) (которые обращают его в верное числовое неравенство) будут и решениями неравенства (3), и наоборот: все решения неравенства (3) будут решениями неравенства (2). А это и означает, что неравенства (2) и (3) являются равносильными.

Аналогично обосновывается равносильность неравенств и при

Заметим, что аналогично решению показательных уравнений все равносильные преобразования неравенства всегда выполняются на его области допустимых значений (то есть на общей области определения для всех функций, входящих в запись этого неравенства). Для показательных неравенств достаточно часто областью допустимых значений (ОДЗ) является множество всех действительных чисел. В этих случаях, как правило, ОДЗ явно не находят и не записывают в решение неравенства (см. далее задачу 1). Но если в процессе решения показательного неравенства равносильные преобразования выполняются не на всем множестве действительных чисел, то в этом случае приходится учитывать ОДЗ (см. далее задачу 2).

Примеры решения задач:

Пример №39

Решите неравенство

Решение:

Поскольку функция является убывающей, то

Отсюда ( см.рисунок)

Ответ:

Комментарий:

Для решения полученного квадратного неравенства используем графическую иллюстрацию.

Пример №40

Решите неравенство

Решение:

ОДЗ:

Замена дает неравенство

равносильное неравенству Поскольку получаем Отсюда Учитывая, что имеем Выполняя обратную замену, получаем Тогда

Функция является возрастающей, таким образом, Учитывая ОДЗ, получаем

Ответ:

Комментарий:

Поскольку равносильные преобразования неравенств выполняются на ОДЗ исходного неравенства, то зафиксируем эту ОДЗ. Используя формулу избавляемся от числового слагаемого в показателе степени и получаем степени с одним основанием 3, что позволяет ввести замену

В полученном неравенстве знаменатель положителен, поэтому это дробное неравенство можно привести к равносильному ему квадратному.

После выполнения обратной замены следует учесть не только возрастание функции но и ОДЗ исходного неравенства.

Пример №41

Решите неравенство

Решение:

Решим неравенство методом интервалов. Обозначим

1 ОДЗ:

2. Нули функции:

Замена Получаем Обратная замена дает:

Отсюда Отметим нули функции на ОДЗ, находим знак в каждом из полученных промежутков и записываем решения неравенства

Ответ:

Комментарий:

При нахождении нулей функции приведем все степени к двум основаниям (2 и 3), чтобы получить однородное уравнение. Это уравнение решается делением обеих частей на наивысшую степень одного из видов переменных — на Учитывая, что при всех значениях в результате деления на получаем уравнение, равносильное предыдущему.

Разумеется, для решения данного неравенства можно было учесть, что всегда, и после деления данного неравенства на и замены получить алгебраическое неравенство.

Пример №42

Решите неравенство

Комментарий:

Данное нестрогое неравенство также удобно решать методом интервалов. Записывая ответ, следует учитывать, что в случае, когда мы решаем нестрогое неравенство все нули функции должны войти в ответ.

Решение:

Обозначим

1. ОДЗ: Тогда (см. рисунок).

2. Нули функции:

Тогда Из первого уравнения: — не принадлежит ОДЗ, а из второго:

3. Отмечаем нули на ОДЗ, находим знак в каждом из промежутков, на которые разбивается ОДЗ, и записываем решение неравенства

Ответ:

Показательные функции в высшей математике

Рассмотрим функцию, заданную равенством Составим таблицу её значений для нескольких значений аргумента:

На рисунке 19, а обозначены точки, координаты которых соответствуют этой таблице. Когда на этой же координатной плоскости обозначить больше точек с координатами удовлетворяющих равенству они разместятся, как показано на рисунке 19, б. А если для каждого действительного значения вычислить соответствующее значение и обозначить на координатной плоскости точки с координатами они разместятся на одной бесконечной кривой (рис. 19, в). Эта кривая — график функции

График функции размещён в I и II координатных четвертях. Когда он как угодно близко подходит к оси но общих точек с ней не имеет. Говорят, что график функции асимптотически приближается к оси что ось — асимптота этого графика. Когда неограниченно увеличивается, график функции всё дальше отходит от оси Как видим, функция определена для всех действительных чисел, её область значений — промежуток На всей области определения функция возрастает, она ни чётная, ни нечётная, ни периодическая.

Рассматриваемая функция — пример показательной функции, а именно — показательная функция с основанием 2.

Показательной функцией называется функция, заданная формулой

Примеры других показательных функций: Их графики изображены на рисунке 20. Согласно определению функция не является показательной.

Основные свойства показательной функции

Область определения функции — множество ибо при каждом положительном и действительном выражение определено.
Область значений функции — множество поскольку, если основание степени положительное, то положительная и степень Следовательно, функция принимает только положительные значения.
Если функция возрастает, а если — убывает. Это свойство хорошо видно на графиках функций (рис. 20).
Функция каждое своё значение принимает только один раз, т. е. прямую, параллельную оси график показательной функции может пересечь только в одной точке. Это следует из свойства 3.
Функция ни чётная, ни нечётная, ни периодическая. Поскольку каждое своё значение она принимает только один раз, то не может быть чётной или периодической. Не может она быть и нечётной, так как не имеет ни отрицательных, ни нулевых значений.
График каждой показательной функции проходит через точку поскольку если

При решении задач и упражнений, связанных с показательной функцией, особенно часто используется третье свойство, в котором указывается на монотонность показательной функции, то есть её возрастание или убывание. В частности из него вытекают следующие утверждения.

Если
Если
Если

Присмотритесь к графикам показательных функций и (рис. 21). Угловой коэффициент касательной, проведённой в точке к графику функции меньше 1, а к графику функции — больше 1. Существует ли такая показательная функция, у которой угловой коэффициент касательной к её графику в точке равен 1? Существует (рис. 22).Основание этой показательной функции — иррациональное число 2,71828 …, которое принято обозначать буквой Показательная функция в математике и многих прикладных науках встречается довольно часто, ее называют экспонентом (лат. exponens — выставлять напоказ).

К показательной функции иногда относят также функции вида При помощи таких функций описывают много разных процессов, связанных с физикой, химией, биологией, экономикой, социологией и т. д. Например, процессы новообразования и распада вещества можно описать с помощью формулы Здесь — количество вновь образованного (или распавшегося) вещества в момент времени — начальное количество вещества, — постоянная, значение которой определяется для конкретной ситуации. Подберите самостоятельно соответствующие примеры.

Пример №43

Сравните с единицей число:

Решение:

а) Представим число 1 в виде степени с основанием 0,5. Имеем: Поскольку функция убывающая и отсюда

функция возрастающая и поэтому отсюда

Пример №44

Функция задана на промежутке Найдите её наименьшее и наибольшее значения.

Решение:

Поскольку то данная функция убывающая. Поэтому её наименьшее и наибольшее значения:

Пример №45

Постройте график функции

Решение:

Функция — чётная (проверьте). График чётной функции симметричен относительно оси поэтому достаточно построить график заданной функции для и отобразить его симметрично относительно оси Если Построим график функции для и отобразим его симметрично относительно оси (рис. 23).

Производные показательной и логарифмической функций
Показательно-степенные уравнения и неравенства
Показательные уравнения и неравенства
Логарифмические уравнения и неравенства
Техника дифференцирования
Дифференциальная геометрия
Логарифмическая функция, её свойства и график
Логарифмические выражения

Источник

Формула Эйлера и приближенные методы

29 декабря 2012 года

Илья Бирман в заметке о числах π и e написал об их связи со мнимой единицей:

Числа π и e входят в мою любимую формулу — формулу Эйлера, которая связывает 5 самых главных констант — ноль, единицу, мнимую единицу i и, собственно, числа π и е:

e^iπ + 1 = 0

Почему число 2,7182818284590 в комплексной степени 3,1415926535i вдруг равно минус единице? Ответ на этот вопрос выходит за рамки заметки и мог бы составить содержание небольшой книги, которая потребует некоторого начального понимания тригонометрии, пределов и рядов.

Замечание о небольшой книге верно. Но я собираюсь в одной заметке рассказать, почему e^iπ = −1, без привлечения пределов и рядов. Сначала я остановлюсь на приближенном выражении для экспоненты, а также напомню, как обращаться с комплексными числами.

Экспоненциальная функция

$$begin{tikzpicture}[scale=1.0544]small
begin{axis}[axis line style=gray,
samples=120,
width=11.3cm,height=7.158cm,
xmin=-2.1, xmax=2.1,
ymin=0, ymax=1.8,
restrict y to domain=-0.2:2,
ytick={1},
xtick={-1,1},
axis equal,
axis x line=center,
axis y line=center,
xlabel=$x$,ylabel=$y$]
addplot[red,domain=-2:1,semithick]{exp(x)};
addplot[black]{x+1};
addplot[] coordinates {(1,1.5)} node{$y=x+1$};
addplot[red] coordinates {(-1,0.6)} node{$y=e^x$};
path (axis cs:0,0) node [anchor=north west,yshift=-0.07cm] {0};
end{axis}
end{tikzpicture}$$

Экспоненциальная функция y = e^x среди степенных функций с другими основаниями примечательна тем, что касательная к ее графику в точке x = 0 идет под углом в 45 градусов. Как видно из рисунка, вблизи точки касания кривую y = e^x можно заменить самой касательной y = 1 + x. Поэтому для очень малых значений x экспоненту легко вычислить по приближенной формуле

e^x ≈ 1 + x, |x| << 1.

Что делать, если показатель экспоненты не является малым числом? Попробуем извлечь корень из e^x и сразу же возвести в квадрат: e^x = e^x/2 e^x/2 = (e^x/2)². Показатель экспоненты уменьшился в два раза. Ясно, что если экспоненту разбить на большее количество множителей, показатель уменьшится еще сильнее: e^x = (e^x/n)ⁿ. Выбираем n очень большим и используем приближение для e^x/n:

$$e^x=left(e^{xover n}right)^napproxleft(1+{xover n}right)^n.$$

Чем больше n, тем меньше аргумент экспоненты x/n и тем точнее работает эта формула.

Комплексные числа

Комплексное число — это сумма обычного действительного числа a и мнимого числа bi, где мнимая единица i есть решение уравнения x² + 1 = 0. Правила действий над комплексными числами легко получить, если потребовать, чтобы основные формулы арифметики действительных чисел, такие как возведение в степень и раскрытие скобок, были верны и для комплексных чисел. То есть комплексные числа можно складывать и умножать как обычно, нужно только помнить, что i² = −1. Например,

$$begin{align*}(a+bi)+(c+di)&=(a+c)+(b+d)i,\
(a+bi)cdot(c+di)&=ac+adi+bci+bdi^2=(ac-bd)+(ad+bc)i.end{align*}$$

У комплексных чисел a + bi есть наглядное графическое представление. Будем считать, что это число задает точку с координатами (a, b). Или, что то же самое, вектор, проведенный из начала координат в эту точку. Проекции вектора на оси координат есть a и b. Ясно, что каждому вектору можно сопоставить свою пару чисел (a, b), то есть свое комплексное число a + bi.

$$begin{tikzpicture}[semithick,scale=1.0545]small
tikzset{>=stealth}
defr{2.3}
defl{4}
defll{l*0.8}
defh{0.6}
defa{2.4}
defb{1.8}
deft{0.07}
defp{0.5}
draw[->,thin,gray](-h,0)—(l,0);
draw[->,thin,gray](0,-h)—(0,ll);
draw[red!50!black](0,0)—(a,0) node[midway,below] {$a$};
draw[black!50!green](a,0)—(a,b) node[midway,right] {$b$};
draw[->,black!40!blue](0,0)—(a,b) node[midway,above] {$r$} node[p=1,above,black] {$(a,b)$};
draw[thin](p,0) arc (0:atan2(b,a):p) node[midway,right,yshift=0.06cm] {$alpha$};
path(0,0) node [anchor=north west,yshift=-0.07cm] {0};
draw[line width=0.2mm,opacity=0] (-h,-h) rectangle (l,ll);
end{tikzpicture}$$

Представление в виде вектора удобно, когда речь идет о сумме комплексных чисел. Тогда вектор, соответствующий сумме комплексных чисел, равен сумме векторов, соответствующих каждому слагаемому. К сожалению, у произведения комплексных чисел нет такой наглядной картины. Тем не менее, чтобы сформулировать относительно простое правило для представления произведения в виде вектора, перейдем от декартовых координат (a, b) к полярным координатам r и α. Первое число задает длину вектора и называется модулем комплексного числа, а второе есть угол между вектором и осью абсцисс и называется аргументом. Ясно, что каждая пара этих чисел, r и α, тоже однозначно задает свой вектор и свое комплексное число.

Теперь можно сформулировать правило умножения в терминах длины вектора и его направления (оно выведено в дополнении к заметке). Длина вектора произведения равна произведению длин векторов сомножителей, а аргумент (угол между вектором и осью абсцисс) равен сумме аргументов. Я изобразил это правило на рисунке. Здесь синий вектор равен произведению зеленого и красного.

$$begin{tikzpicture}[scale=1.0545,semithick,st1/.style={black!30!red,->},st2/.style={black!50!green,->},st3/.style={black!40!blue,->}]
footnotesize
tikzset{>=stealth}
defr{2.5}
defra{1.3}
defaa{48}
defrb{1.1}
defab{72}
defb{1.8}
deft{0.07}
defl{r*1.6}
draw[gray,thin,->] (-0.5*l,0)—(l,0);
draw[gray,thin,->] (0,-0.6)—(0,l);
draw[st1](0,0)—(aa:ra*r) node[pos=0.7,left] {$r$};
draw[st2](0,0)—(ab:rb*r) node[pos=0.7,left] {$R$};
draw[st3](0,0)—(aa+ab:rb*ra*r) node[pos=0.6,left] {$rcdot R,$};
defpa{1.2}
draw[thin,st1] (pa,0) arc (0:aa:pa) node[midway,right,yshift=0.06cm] {$alpha$};
defpb{1.0}
draw[thin,st2] (pb,0) arc (0:ab:pb) node[pos=0.74,above] {$beta$};
defpb{0.8}
draw[thin,st3] (pb,0) arc (0:aa+ab:pb) node[pos=0.81,above] {$alpha!+!beta$};
draw[very thin] (r,t)—(r, -t) node[below]{$1$}
(t,r)—(-t, r) node[left]{$1$}
(0,0) node [anchor=north west,yshift=-0.07cm] {0};
draw [line width=0.2mm,opacity=0] (-0.5*l,-0.6) rectangle (l,l);
end{tikzpicture}$$

Возведение в комплексную степень

В отличие от сложения и умножения, правило возведения в комплексную степень x^{a + bi}, или хотя бы во мнимую степень x^bi, нельзя получить, обобщив обычное правило возведения в действительную степень. Например, 2ⁱ — это результат умножения числа 2 самого на себя «i раз». Непонятно, правда?

Чтобы всё же определить возведение в комплексную степень, нужно привлечь дополнительные принципы или соображения по отношению к правилам арифметики. В качестве такого принципа я предлагаю считать разложение e^x ≈ 1 + x около нуля справедливым не только для действительных x, но и для комплексных.

Если это разложение верно, то тогда приближенная формула e^x ≈ (1 + x/n)ⁿ должна работать и для комплексных чисел. В ее показателе уже нет мнимой единицы, поэтому расчеты можно проводить с помощью выписанных выше правил. Это ровно то, что нам нужно для вычисления e^iπ.

Возьмем для примера n = 10 и будем умножать число 1 + iπ/10 само на себя, чтобы получить (1 + iπ/10)¹⁰. К счастью, компьютер большую часть работы делает за нас:

(1 + iπ/10)¹ = 1 + 0,3142i
(1 + iπ/10)² = 1 + 2·0,3142i − 0,3142² = 0,9013 + 0,6283i
(1 + iπ/10)³ = 0,7039 + 0,9115i
(1 + iπ/10)⁴ = 0,4176 + 1,1326i
(1 + iπ/10)⁵ = 0,0617 + 1,2638i
(1 + iπ/10)⁶ = −0,3352 + 1,2832i
(1 + iπ/10)⁷ = −0,7384 + 1,1779i
(1 + iπ/10)⁸ = −1,1085 + 0,9459i
(1 + iπ/10)⁹ = −1,4056 + 0,5976i
(1 + iπ/10)¹⁰ = −1,5934 + 0,1561i

Вот эти числа на рисунке:

$$begin{tikzpicture}[scale=1.0545]small
tikzset{>=stealth}
defk{10}
defp{3.1415926/k}
defr{3.1}
defl{5.8}
deft{0.07}
draw[->,thin,gray] (-l,0)—(l,0);
draw[->,thin,gray] (0,-0.6)—(0,l);
draw[green!40!black](r,0) — (r,p*r) node[midway,right] {$ipi/k$};
foreach l in {1,…,k}
draw[->] (0,0) — ({(l-1)*atan(p)}:{((sqrt(1+p*p)^(l-1)*r)});
draw[->,red] (0,0) — ({k*atan(p)}:{((sqrt(1+p*p)^k*r)}) node[pos=0.91,above] {$-1,!5934+0,!1561i$};
draw[very thin] (r,t)—(r,-t) node[below]{$1$}
(-r,t)—(-r,-t) node[below]{$-1$}
(t,r)—(-t,r) node[left]{$1$}
(0,0) node [anchor=north west,yshift=-0.07cm] {$0$};
draw [line width=0.2mm,opacity=0] (-l,-0.6) rectangle (l,l);
end{tikzpicture}$$

В соответствии с правилом умножения, аргумент растет как арифметическая прогрессия, а модуль — как геометрическая. К сожалению, из-за небольшого n наша формула слишком неточная, и мы пришли к числу −1,5934 + 0,1561i вместо ожидаемого −1. Но зато мы понимаем процедуру, которая при неограниченном росте n даст нужное значение.

Действительно, чем меньше число iπ/n, тем с большей точностью отрезок касательной iπ/n приближает дугу окружности, тем ближе к π/n угол между соседними векторами и тем меньше отклонение длины векторов от 1. В пределе мы получим точки окружности единичного радиуса, а само число (1 + iπ/n)ⁿ попадет в −1. Прямые вычисления это подтверждают:

(1 + iπ/100)¹⁰⁰ = −1,0506 + 0,001085i,
(1 + iπ/1000)¹⁰⁰⁰ = −1,004946 + 0,00001039i,
(1 + iπ/10000)¹⁰⁰⁰⁰ = −1,0004936 + 1,03·10⁻⁷i.

Дополнение 1. Привлечение математической строгости

Я на простых примерах рассказал о том, как ведут себя числа и функции. Математики обычно не используют изложенный выше способ рассуждений, хотя его можно сделать вполне строгим с помощью понятий предела и «о малого».

Но даже если следовать абсолютно строгому математическому пути построения теории, нельзя просто так ввести правило возведения в комплексную степень, без дополнительных определений и аксиом. Разложение e^x ≈ 1 + x представляет собой два первых слагаемых в ряде Тейлора (остальными слагаемыми мы пренебрегли, потому что они дадут поправку порядка x², которая несущественна при малых x). В простейшем случае комплексная экспонента определяется как сумма всех слагаемых ряда Тейлора. С использованием такого определения вывод формулы e^ix = cos x + i sin x, и ее частного случая, формулы Эйлера, является легким упражнением для изучающих математический анализ.

В более продвинутом курсе теории функций комплексной переменной вводится понятие аналитической функции. Это такая функция f, которая раскладывается в ряд Тейлора, который сходится к самой функции f. (Для того чтобы комплексная функция была аналитической в какой-то области, достаточно, чтобы она была дифференцируемой в этой области. Требование дифференцируемости в комплексном случае гораздо сильнее, чем в действительном. Комплексная дифференцируемая функция в области бесконечно дифференцируема и аналитична на ней.) Оказывается, что аналитическую функцию, определенную для действительных чисел, можно единственным образом продолжить в область комплексных чисел, чтобы функция осталась аналитической. В этом и состоит обоснование выбора определения комплексной экспоненты через ряды: мы специально выбираем экспоненту в виде ряда, чтобы получилась аналитическая функция.

Дополнение 2. Тригонометрическая форма и умножение комплексных чисел

После перехода от декартовых координат к полярным через последние можно выразить действительную и мнимую часть комплексного числа a + bi, которые являются катетами в треугольнике с гипотенузой r и углом α:

a = r cos α, b = r sin α, a + bi = r (cos α + i sin α).

Перемножим два комплексных числа в тригонометрической форме:

r (cos α + i sin α) · R (cos β + i sin β) = rR [(cos α cos β − sin α sin β) + i (sin α cos β + cos α sin β)].

Вспоминая тригонометрические формулы, видим, что в круглых скобках получились выражения для косинуса и синуса суммы углов. Окончательный ответ имеет вид

r (cos α + i sin α) · R (cos β + i sin β) = rR [cos (α + β) + i sin (α + β)].

Таким образом, модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей сомножителей, а аргумент произведения есть сумма произведений сомножителей.

Дополнение 3. О приближенных методах вычислений

В физике постоянно используются приближенные методы, особенно разложение в ряд Тейлора до первого (изредка до второго) слагаемого. Дело в том, что аналитическое решение в виде формулы можно получить разве что в простейших задачах. Численно, на компьютере, тоже не всякая задача решается. Поэтому часто в ходе преобразований приходится что-нибудь раскладывать и чем-нибудь пренебрегать.

Иногда приближенные методы удается использовать и в арифметических задачах. Прекрасный пример встречается в книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман»:

Тут в ресторан вошел японец. Я уже раньше видел его: он бродил по городу, пытаясь продать счеты. Он начал разговаривать с официантами и бросил им вызов, заявив, что может складывать числа быстрее, чем любой из них.

Официанты не хотели потерять лицо, поэтому сказали: «Да, да, конечно. А почему бы Вам не пойти к тому посетителю и не устроить соревнование с ним?»

Этот человек подошел ко мне. Я попытался сопротивляться: «Я плохо говорю на португальском!»

Официанты засмеялись. «С числами это не имеет значения», — сказали они.

Они принесли мне карандаш и бумагу.

Человек попросил официанта назвать несколько чисел, которые нужно сложить. Он разбил меня наголову, потому что пока я писал числа, он уже складывал их.

Тогда я предложил, чтобы официант написал два одинаковых списка чисел и отдал их нам одновременно. Разница оказалась небольшой. Он опять выиграл у меня приличное время.

Однако японец вошел в раж: он хотел показать, какой он умный. «Multiplicao!» — сказал он.

Кто-то написал задачу. Он снова выиграл у меня, хотя и не так много, потому что я довольно прилично умею умножать.

А потом этот человек сделал ошибку: он предложил деление. Он не понимал одного: чем сложнее задача, тем у меня больше шансов победить.

Нам дали длинную задачу на деление. Ничья.

Это весьма обеспокоило японца, потому что он явно прекрасно умел выполнять арифметические операции с помощью счет, а тут его почти победил какой-то посетитель ресторана.

«Raios cubicos!» — мстительно говорит он. Кубические корни! Он хочет брать кубические корни с помощью арифметики! Трудно найти более сложную фундаментальную задачу в арифметике. Должно быть, это был его конек в упражнениях со счетами.

Он пишет на бумаге число — любое большое число — я до сих пор его помню: 1729,03. Он начинает работать с этим числом и при этом что-то бормочет и ворчит: «Бу-бу-бу-хм-гм-бу-бу», — он трудится как демон! Он просто погружается в этот кубический корень!

Я же тем временем просто сижу на своем месте.

Один из официантов говорит: «Что Вы делаете?»

Я указываю на голову. «Думаю!» — говорю я. Затем пишу на бумаге 12. Еще через какое-то время — 12,002.

Человек со счетами вытирает со лба пот и говорит: «Двенадцать!»

«О, нет! — возражаю я. — Больше цифр! Больше цифр!» Я знаю, что, когда с помощью арифметики берешь кубический корень, то каждая последующая цифра требует большего труда, чем предыдущая. Это работа не из легких.

Он опять уходит в работу и при этом бормочет: «Уф-фыр-хм-уф-хм-гм…». Я же добавляю еще две цифры. Наконец, он поднимает голову и говорит: «12,0!»

Официанты просто светятся от счастья. Они говорят японцу: «Смотрите! Он делает это в уме, а Вам нужны счеты! И цифр у него больше!»

Он был абсолютно измотан и ушел, побежденный и униженный. Официанты поздравили друг друга.

Каким же образом посетитель выиграл у счетов? Число было 1729,03. Я случайно знал, что в кубическом футе 1728 кубических дюймов, так что было ясно, что ответ немногим больше 12. Излишек же, равный 1,03, — это всего лишь одна часть из почти 2000, а во время курса исчисления я запомнил, что для маленьких дробей излишек кубического корня равен одной трети излишка числа. Так что мне пришлось лишь найти дробь 1/1728, затем умножить полученный результат на 4 (разделить на 3 и умножить на 12). Вот так мне удалось получить целую кучу цифр.

Несколько недель спустя этот человек вошел в бар того отеля, в котором я остановился. Он узнал меня и подошел. «Скажите мне, — спросил он, — как Вам удалось так быстро решить задачу с кубическим корнем?»

Я начал объяснять, что использовал приближенный метод, и мне достаточно было определить процент ошибки. «Допустим, Вы дали мне число 28. Кубический корень из 27 равен 3…»

Он берет счеты: жжжжжжжжжжжжжжжж — «Да», — соглашается он.

И тут до меня доходит: он не знает чисел. Когда у тебя есть счеты, не нужно запоминать множество арифметических комбинаций; нужно просто научится щелкать костяшками вверх-вниз. Нет необходимости запоминать, что 9 + 7 = 16; ты просто знаешь, что когда прибавляешь 9, то нужно передвинуть десятичную костяшку вверх, а единичную — вниз. Поэтому основные арифметические действия мы выполняем медленнее, зато мы знаем числа.

Более того, сама идея о приближенном методе вычисления была за пределами его понимания, несмотря на то, что зачастую невозможно найти метод точного вычисления кубического корня. Поэтому мне так и не удалось научить его брать кубический корень или объяснить, как мне повезло, что он выбрал число 1729,03.

Фейнман использовал ряд Тейлора для степенной функции, который для кубического корня выглядит как $$sqrt[3]{1+x}=1+x/3+ldots$$ Вот вся последовательность вычислений:

$$begin{align*}
sqrt[3]{1729,!03}&=sqrt[3]{1728left(1+{1,!03over 1728}right)}=12sqrt[3]{1+{1,!03over 1728}}approx12left(1+{1over 3}cdot{1,!03over 1728}right)=\
&=12+{1,!03over 432}approx12,!00238.
end{align*}$$

В этом приближенном ответе благодаря малости числа 1,03/1728 по сравнению с единицей все цифры точные, расхождение с правильным ответом начинается в шестом знаке после запятой. Самая сложная операция в приведенной цепочке — вычисление дроби 1,03/432.

Источник

Graph[edit]

Relation to more general exponential functions[edit]

Formal definition[edit]

Overview[edit]

Derivatives and differential equations[edit]

Continued fractions for ex[edit]

Complex plane[edit]

Computation of ab where both a and b are complex[edit]

Matrices and Banach algebras[edit]

Lie algebras[edit]

Transcendency[edit]

Computation[edit]

See also[edit]

Notes[edit]

References[edit]

External links[edit]

Определение и формула экспоненты

График экспоненты

Свойства экспоненциальной функции

Посчитать экспоненту

Онлайн калькулятор

Теория

Формула

Пример

См. также

Понятие показательной функции

Свойства показательной функции

График и точки пересечения с осями координат

Пример №1

Пример №2

Пример №3

Пример №4

Решение показательных уравнений и неравенств

Пример №5

Пример №6

Пример №7

Пример №8

Решение более сложных показательных уравнений и их систем

Пример №9

Пример №10

Пример №11

Пример №12

Пример №13

Решение показательных неравенств

Пример №14

Пример №15

Пример №16

Пример №17

Определение и вычисление показательной функции

Показательная функция — практическое занятие с решением

Экспоненциально возрастающая и экспоненциально убывающие функции

Преобразование графиков показательных функций

Пример №18

Пример №19

Показательная функция. Число е.

График функции y=ex

Показательная и логарифмическая функции их свойства и график

Понятие показательной функции

Свойства показательной функции

Пример №20

Пример №21

Пример №22

Пример №23

Решение показательных уравнении и неравенств

Пример №24

Пример №25

Пример №26

Простейшие показательные уравнения

Пример №27

Пример №28

Пример №29

Пример №30

Решение более сложных показательных уравнений и их систем

Пример №31

Пример №32

Пример №33

Пример №34

Пример №35

Решение показательных неравенств

Пример №36

Continued fractions for e^x[edit]

Computation of a^b where both a and b are complex[edit]

График функции y=e^x