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Topos Uranos

指数関数・対数関数・双曲線関数:導入

要約

この課は、指数関数・対数関数・双曲線関数を扱う単元の始まりである。単元の六つの課と、それぞれが証明することを示し、これらの考えの歴史をたどる。すなわち、アルキメデスが垣間見てシュティーフェルが整理した数列どうしの対応から、ネイピアとビュルギの対数、ヤコブ・ベルヌーイとオイラーの数 ee、リッカティとランベルトの双曲線関数までである。さらに、これらを生んだ問題、すなわち積を和に変えるという問題を定式化して二つの関数方程式に書き直し、最後に、これらの関数がこのコースの続き、サイトのほかのコース、そして科学のなかで占める位置を述べる。

学習目標

  1. 単元の各課の内容と、それらが論理的につながる順序を、実数を指数とする累乗から双曲線関数まで説明する。
  2. 対数の発明、数 ee の発見、双曲線関数の導入をそれぞれの歴史的文脈のなかに位置づけ、それぞれの動機となった実用上の問題を特定する。
  3. 積を和に変える問題を方程式 L(xy)=L(x)+L(y)L(xy) = L(x) + L(y) と f(x+y)=f(x)f(y)f(x + y) = f(x) f(y) によって表し、その解が実数の指数を必要とする理由をシュティーフェルの表を用いて説明する。
  4. これらの関数の応用を、代数と幾何 II のコース、ほかのコース、そして物理学、化学、生物学、金融、情報科学のなかに見いだす。

導入テスト

単元に取りかかる前に、採点とは無関係に、出発点を測っておくとよい。最初の十問は単元の六つの内容の課を扱う。ほかの課の土台となる三つの課(実数を指数とする累乗、数 ee、方程式)にそれぞれ二問ずつ、対数の課に一問、双曲線関数の課に一問、モデルの課に二問であり、モデルの二問目はデータからモデルを立てることを求める。同じ技能は、最後にまとめの課で改めて測る。最後の三問は、この単元が数の集合についての単元と平面の解析幾何についての単元から既知とするものを確かめる。誤った答えはそれぞれ、立ち止まるべき課を示す。

導入テスト

単元を始める前に、自分の出発点を測りましょう。短い自己評価です。採点はされず、結果はあなたのブラウザーにだけ保存されます。

  1. 問 1関数 f(x)=2−3x+1f(x) = 2 - 3^{x + 1} の値域は何か。

  2. 問 2(22)8\left( 2^{\sqrt{2}} \right)^{\sqrt{8}} を計算せよ。

  3. 問 3元金 11 を、年利 200200 パーセント、すなわち r=2r = 2 で、年 nn 回複利計算して運用する。一年後の元利合計 (1+2n)n\left( 1 + \frac{2}{n} \right)^n の上限は何か。

  4. 問 4s3=1+1+12+16s_3 = 1 + 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{6} とするとき、級数の誤差の定理は誤差 e−s3e - s_3 のどんな上界を与えるか。

  5. 問 5log⁡832\log_8 32 を計算せよ。

  6. 問 6方程式 9x−2⋅3x−3=09^x - 2 \cdot 3^x - 3 = 0 の実数解は何か。

  7. 問 7方程式 log⁡3x+log⁡3(x−8)=2\log_3 x + \log_3 (x - 8) = 2 を解け。

  8. 問 8ある放射性同位体の半減期は 88 日である。2424 日後に、初めの質量のどれだけの割合が残るか。

  9. 問 9細菌の培養で数えた個数を片対数グラフに記すと一直線に並び、その直線は 300300 個の細菌(22 時間の時点)と 24002400 個の細菌(88 時間の時点)に対応する点を通る。モデルによれば、培養の開始時には細菌は何個いたか。

  10. 問 10x>0x > 0 かつ cosh⁡x=53\cosh x = \frac{5}{3} のとき、sinh⁡x\sinh x の値はいくらか。

  11. 問 11前の単元から27−2327^{-\frac{2}{3}} を計算せよ。

  12. 問 12前の単元から数 1−1n1 - \frac{1}{n}(nn は自然数)全体の集合の上限は何か。

  13. 問 13前の単元から双曲線 x29−y24=1\frac{x^2}{9} - \frac{y^2}{4} = 1 の漸近線は何か。