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 e、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
- 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。
- 対数の発明、数 e 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。
- 積を和に変える問題を方程式 L(xy)=L(x)+L(y) と 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。
- 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 e、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。
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。
問 1関数 f(x)=2−3x+1 の値域は何か。
これは、
x=0 での値を値域の端とみなした場合に得られる。その値は
2−3=−1 である。しかし関数は減少し、
x が負のときは
−1 より大きい値をとり、しだいに
2 に近づく。
指数関数は負の値も零もとらないので、
2−3x+1 は値
2 に達することも、それを超えることもない。
累乗
3x+1 はすべての正の値をとり、正の値しかとらない。符号を変えるとすべての負の値が得られ、
2 を加えると、
2 より小さいすべての実数が得られる。直線
y=2 は水平漸近線であり、グラフはそれに達しない。
復習: 指数関数と実数の指数
問 2(22)8 を計算せよ。
正しい答え: 16
実数の指数についても成り立つ累乗の累乗の定理により、結果は
22⋅8=216=24=16 である。
232 を得た場合は、指数を掛けずに足している。
2+8=32 だからである。
210 を得た場合は、さらに二つ目の誤り、すなわち根号の中身を足す誤りを犯しており、
2+8 が
10 であるかのように扱っている。
復習: 指数関数と実数の指数
問 3元金 1 を、年利 200 パーセント、すなわち r=2 で、年 n 回複利計算して運用する。一年後の元利合計 (1+n2)n の上限は何か。
これは
r=1 のときの上限である。利率を二倍にすると上限は変わり、
e から
e2 になる。
利率は上限に掛かるのではなく、その指数である。
er であり、
re ではない。例えば
n=10 のとき、元利合計はすでに
(56)10 であって
6 を超え、
2e(これは
211 より小さい)を上回る。
数列は増加するが、有界である。不等式
ex≥1+x により、どの項も
e2 より小さい。増加する有界な数列は、完備性により上限をもつ。
連続複利の定理により、項
(1+nr)n の上限は
er であり、どの項もそれに達しない。
r=2 のとき、それは
e2 である。
復習: 数 e と自然指数関数
問 4s3=1+1+21+61 とするとき、級数の誤差の定理は誤差 e−s3 のどんな上界を与えるか。
正しい答え: 181
定理は
0<e−sn<n!n1 を与え、
n=3 のとき上界は
6⋅31=181 である。
241 を得た場合は、最初に省いた項
4!1 をとっているが、これは誤差より小さい。
61 を得た場合は、因子
n を忘れている。
復習: 数 e と自然指数関数
問 5log832 を計算せよ。
正しい答え: 35
8=23 かつ
32=25 であるから、底の変換公式により
log832=log28log232=35 である。実際、
835=25=32 である。
53 を得た場合は商を逆にしており、
4 を得た場合は
32 を
8 で割っている。
復習: 対数関数とその性質
問 6方程式 9x−2⋅3x−3=0 の実数解は何か。
三項式の根
t=−1 からは
x=−1 は得られない。それは
3x=−1 を意味し、これには解がない。値
3−1=31 は左辺を零にしない。
これらは
t=3x についての三項式の根であり、
x の値ではない。置き換えをもとに戻し、負の根を捨てる必要がある。
三項式
t2−2t−3 は正の根
t=3 をもち、それは
x=1 に対応する。実際、
9−6−3=0 である。
t=3x>0 とおくと、方程式は
t2−2t−3=(t−3)(t+1)=0 となる。根
t=−1 は捨てる。正の底の累乗は負にならないからである。そして
3x=3 から
x=1 が得られる。
復習: 指数・対数の方程式と不等式
問 7方程式 log3x+log3(x−8)=2 を解け。
正しい答え: 9
定義域
x>8 において、積の性質により
log3(x(x−8))=2、すなわち
x2−8x−9=(x−9)(x+1)=0 となる。候補
−1 は定義域の外にある無縁解であり、ただ一つの解は
9 である。実際、
log39+log31=2 である。
復習: 指数・対数の方程式と不等式
問 8ある放射性同位体の半減期は 8 日である。24 日後に、初めの質量のどれだけの割合が残るか。
正しい答え: 81
半減期の定理により、質量は
N02−8t である。
24 日後には半減期が三回経過しており、
2−3=81 が残る。
31 を得た場合は、半減期の回数で割っており、
2 でその回数だけ割っていない。
復習: 指数的な増加と減衰のモデル
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 300 個の細菌(2 時間の時点)と 2400 個の細菌(8 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。
正しい答え: 150
片対数グラフで一直線に並ぶデータは、線形化の定理により、モデル
Cekt に従う。
6 時間で個数は
3002400=8=23 倍になるので、
2 時間ごとに倍増する。
2 時間さかのぼると(
2 時間の時点から)、個数は
2 で割られ、
2300=150 となる。負の数を得た場合は、データを結ぶ直線を通常の目盛りで延長しており、増加が線形であるかのように扱っている。
275 を得た場合は、
6 時間さかのぼっており、
2 時間ではない。
復習: 指数的な増加と減衰のモデル
問 10x>0 かつ coshx=35 のとき、sinhx の値はいくらか。
正しい答え: 34
基本恒等式により
sinh2x=cosh2x−1=925−1=916 であり、
x>0 であるから双曲線正弦は正である。よって
sinhx=34 となる。
32 を得た場合は、二乗せずに
1 を引いている。
−34 を得た場合は、
x>0 における双曲線正弦の符号を忘れている。
復習: 双曲線関数
問 11前の単元から27−32 を計算せよ。
正しい答え: 91
有理数を指数とする累乗の定義により
2732=(327)2=9 であり、負の指数は逆数を与える。
91 である。
−18 を得た場合は底に指数を掛けており、
9 を得た場合は指数の符号を忘れている。
復習: 有理数の指数と累乗根
問 12前の単元から数 1−n1(n は自然数)全体の集合の上限は何か。
これは
n=2 に対応する元であるが、上界ではない。
n=3 のとき
32 が得られ、それはこの値を上回る。
どの元も
1 より小さいので、
1 は上界である。そして、どの数
c<1 も上界ではない。
1−n1>c となるからである(
n>1−c1 であれば)。最小の上界は
1 である。集合に属さないにもかかわらず、そうなのである。
復習: 数の集合:自然数から複素数まで
問 13前の単元から双曲線 9x2−4y2=1 の漸近線は何か。
商を逆にしている。傾きは
ab であり、
b は
y に対応する半軸である。これらは
4x2−9y2=1 の漸近線である。
半軸の代わりに半軸の平方をとっている。
9x2=4y2 から、根をとって
∣y∣=32∣x∣ が導かれる。
a=3 かつ
b=2 であり、
a2x2−b2y2=1 の漸近線は直線
y=±abx である。これらは左辺を零とおくことで得られる。
復習: 双曲線の方程式とその導出
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