プリンキピア

第1章関数とグラフ

Graphing Exponential Functions指数関数のグラフを描く

For any base b>0,b≠1, the exponential function f(x)=bx is defined for all real numbers x and bx>0. Therefore, the domain of f(x)=bx is (−∞,∞) and the range is (0,∞). To graph bx, we note that for b>1,bx is increasing on (−∞,∞) and bx→∞ as x→∞, whereas bx→0 as x→−∞. On the other hand, if 0<b<1,f(x)=bx is decreasing on (−∞,∞) and bx→0 as x→∞ whereas bx→∞ as x→−∞ (Figure 1.44).
底b>0,b≠1に対する指数関数f(x)=bxは、すべての実数xについて定義され、bx>0である。したがって、f(x)=bxの定義域は(−∞,∞)、値域は(0,∞)である。bxのグラフを描くには、b>1bxは(−∞,∞)で増加することに注目する。x→∞のときbx→∞となり、x→−∞のときbx→0となる。一方、0<b<1f(x)=bxは(−∞,∞)で減少し、x→∞のときbx→0、x→−∞のときbx→∞となる(図1.44)。
x軸は−3から3、y軸は0から4。4つの関数が描かれている。f(x) = 2ˣとf(x) = 4ˣは増加する曲線で、x > 0では4ˣのほうが速く増える。f(x) = (1/2)ˣとf(x) = (1/4)ˣは減少してx軸へ近づくが、接しない。x > 0では(1/4)ˣのほうが速く0に近づく。いずれも(0, 1)を通る。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Figure 1.44図 1.44
If b>1, then bx is increasing on (−∞,∞). If 0<b<1, then bx is decreasing on (−∞,∞).
b>1なら、bxは(−∞,∞)で増加する。0<b<1なら、bxは(−∞,∞)で減少する。
Note that exponential functions satisfy the general laws of exponents. To remind you of these laws, we state them as rules.
指数関数も、一般の指数法則を満たす。復習のため、その法則をまとめる。
Example 1.34例題 1.34
Using the Laws of Exponents指数法則を使う
Use the laws of exponents to simplify each of the following expressions.
指数法則を使って、次の各式を簡単にせよ。
  1. (2x2/3)3(4x−1/3)2
    (2x2/3)3(4x−1/3)2
  2. (x3y−1)2(xy2)−2
    (x3y−1)2(xy2)−2
Solution解き方
  1. We can simplify as follows:
    次のように簡単にできる。
    (2x2/3)3(4x−1/3)2=23(x2/3)342(x−1/3)2=8x216x−2/3=x2x2/32=x8/32.
    (2x2/3)3(4x−1/3)2=23(x2/3)342(x−1/3)2=8x216x−2/3=x2x2/32=x8/32
  2. We can simplify as follows:
    次のように簡単にできる。
    (x3y−1)2(xy2)−2=(x3)2(y−1)2x−2(y2)−2=x6y−2x−2y−4=x6x2y−2y4=x8y2.
    (x3y−1)2(xy2)−2=(x3)2(y−1)2x−2(y2)−2=x6y−2x−2y−4=x6x2y−2y4=x8y2

The Number e数e

A special type of exponential function appears frequently in real-world applications. To describe it, consider the following example of exponential growth, which arises from compounding interest in a savings account. Suppose a person invests P dollars in a savings account with an annual interest rate r, compounded annually. The amount of money after 1 year is
英語のヒント
現実への応用では、ある特別な指数関数が頻繁に現れる。それを説明するため、預金の複利計算から生じる指数的な増加を考えよう。年利rの口座にPドルを預け、年に1回利息を元金に組み入れるとする。1年後の金額は次のようになる。
A(1)=P+rP=P(1+r).
A(1)=P+rP=P(1+r)
The amount of money after 2 years is
2年後の金額は、次のようになる。
A(2)=A(1)+rA(1)=P(1+r)+rP(1+r)=P(1+r)2.
A(2)=A(1)+rA(1)=P(1+r)+rP(1+r)=P(1+r)2
More generally, the amount after t years is
一般に、t年後の金額は次のようになる。
A(t)=P(1+r)t.
A(t)=P(1+r)t
If the money is compounded 2 times per year, the amount of money after half a year is
年に2回利息を組み入れるなら、半年後の金額は次のようになる。
A(12)=P+(r2)P=P(1+(r2)).
A(12)=P+(r2)P=P(1+(r2))
The amount of money after 1 year is
1年後の金額は、次のようになる。
A(1)=A(12)+(r2)A(12)=P(1+r2)+r2(P(1+r2))=P(1+r2)2.
A(1)=A(12)+(r2)A(12)=P(1+r2)+r2(P(1+r2))=P(1+r2)2
After t years, the amount of money in the account is
t年後の口座残高は、次のようになる。
A(t)=P(1+r2)2t.
A(t)=P(1+r2)2t
More generally, if the money is compounded n times per year, the amount of money in the account after t years is given by the function
一般に、年にn回利息を組み入れるなら、t年後の口座残高は次の関数で与えられる。
A(t)=P(1+rn)nt.
A(t)=P(1+rn)nt
What happens as n→∞? To answer this question, we let m=n/r and write
n→∞とすると、何が起こるだろうか。これを調べるため、m=n/rとおいて、次のように書く。
(1+rn)nt=(1+1m)mrt,
(1+rn)nt=(1+1m)mrt
and examine the behavior of (1+1/m)m as m→∞, using a table of values (Table 1.12).
そして、m→∞のときの(1+1/m)mの振る舞いを、数値の表(表1.12)で調べる。

Values of (1+1m)m as m→∞m→∞のときの(1+1m)mの値

m
10
100
1000
10,000
100,000
1,000,000
(1+1m)m
2.5937
2.7048
2.71692
2.71815
2.718268
2.718280
Table 1.12表 1.12
Looking at this table, it appears that (1+1/m)m is approaching a number between 2.7 and 2.8 as m→∞. In fact, (1+1/m)m does approach some number as m→∞. We call this number e. To six decimal places of accuracy,
表を見ると、m→∞のとき、(1+1/m)mは2.7と2.8の間の数へ近づくように見える。実際、m→∞のとき(1+1/m)mはある数に近づく。この数をeと呼ぶ。小数第6位まで表すと、次の値である。
e≈2.718282.
e≈2.718282
The letter e was first used to represent this number by the Swiss mathematician Leonhard Euler during the 1720s. Although Euler did not discover the number, he showed many important connections between e and logarithmic functions. We still use the notation e today to honor Euler’s work because it appears in many areas of mathematics and because we can use it in many practical applications.
この数を記号eで表した最初の人物は、1720年代のスイスの数学者レオンハルト・オイラーである。オイラー自身がこの数を発見したわけではないが、eと対数関数との重要な関係を数多く示した。この数は数学の多くの分野に現れ、実用的な応用も多いため、現在もオイラーの業績にちなんで記号eを使っている。
Returning to our savings account example, we can conclude that if a person puts P dollars in an account at an annual interest rate r, compounded continuously, then A(t)=Pert. This function may be familiar. Since functions involving base e arise often in applications, we call the function f(x)=ex the natural exponential function. Not only is this function interesting because of the definition of the number e, but also, as discussed next, its graph has an important property.
英語のヒント
預金の例に戻ろう。年利rの口座にPドルを預け、連続複利で運用するなら、A(t)=Pertとなる。この関数には見覚えがあるかもしれない。底がeの関数は応用によく現れるため、f(x)=exを自然指数関数と呼ぶ。この関数は数eの定義による面白さだけでなく、次に述べるように、そのグラフにも重要な性質がある。
Since e>1, we know ex is increasing on (−∞,∞). In Figure 1.45, we show a graph of f(x)=ex along with a tangent line to the graph of at x=0. We give a precise definition of tangent line in the next chapter; but, informally, we say a tangent line to a graph of f at x=a is a line that passes through the point (a,f(a)) and has the same “slope” as f at that point . The function f(x)=ex is the only exponential function bx with tangent line at x=0 that has a slope of 1. As we see later in the text, having this property makes the natural exponential function the most simple exponential function to use in many instances.
英語のヒント
e>1なので、exは(−∞,∞)で増加する。図1.45には、f(x)=exのグラフとx=0での接線を示した。接線の厳密な定義は次の章で与えるが、大まかには、x=aでのfのグラフへの接線とは、点(a,f(a))を通り、その点でのfと同じ「傾き」を持つ直線である.。関数f(x)=exは、x=0での接線の傾きが1となる唯一の指数関数bxである。後で見るように、この性質のため、自然指数関数は多くの場面で最も扱いやすい指数関数となる。
x軸は−3から3、y軸は0から4。f(x) = eˣはx軸の少し上から増加する曲線で、y軸との交点は(0, 1)。この点での接線が描かれ、「slope = 1(傾き1)」と表示される。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Figure 1.45図 1.45
The graph of f(x)=ex has a tangent line with slope 1 at x=0.
f(x)=exのグラフでは、x=0での接線の傾きが1である。
Example 1.35例題 1.35

Compounding Interest複利計算

Suppose $500 is invested in an account at an annual interest rate of r=5.5%, compounded continuously.
$500を年利r=5.5%の口座に預け、連続複利で運用するとする。
  1. Let t denote the number of years after the initial investment and A(t) denote the amount of money in the account at time t. Find a formula for A(t).
    預け入れてからの経過年数をt、時刻tでの口座残高をA(t)とする。A(t)の式を求めよ。
  2. Find the amount of money in the account after 10 years and after 20 years.
    10年後と20年後の口座残高を求めよ。
Solution解き方
  1. If P dollars are invested in an account at an annual interest rate r, compounded continuously, then A(t)=Pert. Here P=$500 and r=0.055. Therefore, A(t)=500e0.055t.
    年利rの口座にPドルを預けて連続複利で運用すると、A(t)=Pertとなる。ここではP=$500、r=0.055なので、A(t)=500e0.055tである。
  2. After 10 years, the amount of money in the account is
    10年後の口座残高は、次のとおりである。
    A(10)=500e0.055·10=500e0.55≈$866.63.
    A(10)=500e0.055·10=500e0.55≈$866.63

    After 20 years, the amount of money in the account is
    20年後の口座残高は、次のとおりである。
    A(20)=500e0.055·20=500e1.1≈$1,502.08.
    A(20)=500e0.055·20=500e1.1≈$1,502.08