Skillnad mellan versioner av "1.4 Talet e och den naturliga logaritmen"
Taifun (Diskussion | bidrag) m |
Taifun (Diskussion | bidrag) m |
||
| Rad 216: | Rad 216: | ||
<big> | <big> | ||
| − | Precis som [[Exponentialfunktioner_och_logaritmer#Logaritmen_till_basen_10_.2810-logaritmen.29|<b><span style="color:blue">exponentialekvationen <math> \, 10\,^x \, = \, b </math></span></b>]] löstes med den inversa | + | Precis som [[Exponentialfunktioner_och_logaritmer#Logaritmen_till_basen_10_.2810-logaritmen.29|<b><span style="color:blue">exponentialekvationen <math> \, 10\,^x \, = \, b \; </math></span></b>]] löstes med den inversa operationen till <math> \, 10\,^x </math>, nämligen [[Exponentialfunktioner_och_logaritmer#Logaritmen_till_basen_10_.2810-logaritmen.29|<b><span style="color:blue"><math> \, 10</math>-logaritmen</span></b>]] <math> \, \lg x \, </math>, löses ekvationen ovan med den inversa operationen till <math> \, e\,^x </math>, nämligen <math> \, \ln\,x </math>. |
</big> | </big> | ||
Versionen från 28 september 2016 kl. 23.30
| \( \pmb{\gets} \) Förra avsnitt | Repetition: Exp. fkt. & logaritmer | Genomgång | Övningar | Nästa avsnitt \( \pmb{\to} \) |
Lektion 8 Talet \(\,e\) och den naturliga logaritmen
Talet \( e \,\)
Experiment 1
Ta fram din miniräknare, leta efter funktionsknappen (ev. med hjälp av 2nd-knappen):
- \( \boxed{e^{\,x}} \)
Tryck på den, mata in \( 1 \, \) och stäng parentesen.
När det står \( \; {\bf e} \) ^ \((1) \; \) i räknarens display, tryck på ENTER. Så får du: \( \qquad 2,718281828\ldots \)
Du har beräknat \( \; e{\,^1} \; \) eller talet \(\,{\color{blue}e}\,\), en av matematikens mest kända konstanter, Eulers tal.
Talet \(\,{\color{blue} e}\,\) är kallat efter den tysk-schweiziske matematikern Leonard Euler som på 1700-talet "hittade på" detta märkliga tal.
Märkligt, därför att \( \, e \, \) inte är ett rationellt tal, precis som talen \( \pi,\, \sqrt{2},\, \sqrt{3},\,\ldots \, \). De kallas för irrationella tal.
Irrationella tal är decimaltal som har en icke-periodisk decimalutveckling dvs oändligt många decimaler utan något upprepande mönster (period).
Irrationella tal kan inte skrivas i bråkform (kvot mellan två heltal), vilket man kan göra med alla rationella tal, se Olika typer av tal.
Här kan man beskåda de första 5 miljoner decimaler av talet \(\;{\color{blue} e}\,\). Leta gärna efter ett upprepande mönster!
Talet \( e \,\) förekommer bl.a. i en formel som enligt många är en av matematikens vackraste, nämligen sambandet mellan heltalet \( 1\, \), de irrationella talen \( e,\;\pi \) och det komplexa talet \( \, i = \sqrt{-1} \), där även \( \pi \) och \( \, i \, \) är namngivna konstanter:
- \( e^{\,2\,\pi\,i} \) \( = 1 \)
Ingen fara, vi har inte för avsikt att närmare gå in på denna komplexa formel. Vi nämner den bara för att illustrera betydelsen av talet \(\;{\color{blue} e}\,\).
Hur kom(mer) talet \( e \,\) till?
Följande Eulers formel kan man använda för att komma till talet \( e \,\):
- \[ \left(1 + {1 \over n}\right)^n \to e \quad {\rm när} \quad n \to \infty \]
Det betyder: Uttrycket ovan går mot \( e \,\) när \( n\, \) går mot oändligheten (\( \infty \)). Dvs uttrycket närmar sig allt mer \( \, e \,\) ju större \( \, n\, \) blir. Tabellen visar denna process:
| \( n \) | \( 1\,000 \) | \( 1000\,000 \) | \( 1000\,000\,000 \) | \( 10\,000\,000\,000 \) | \( \to \infty \) |
| \( \left(1 + {1 \over n}\right)^n \) | \( {\color{Red} {2,71}}6923932\ldots \) | \( {\color{Red} {2,71828}}0469\ldots \) | \( {\color{Red} {2,71828182}}7\ldots \) | \( {\color{Red} {2,718281828\ldots}} \) | \( \quad \to \; {\color{Red} {{\rm Eulers\;tal\;} e}} \quad \) |
|---|
De korrekta siffrorna är rödmarkerade och visar hur uttrycket sakta men säkert konvergerar mot det värde du fick fram i räknaren när du slog in \( e^{\,1} \, \). Så i fortsättningen när vi räknar med talet \( e \,\) nöjer vi oss med följande närmevärde med nio decimaler:
- \( e \; = \; {\color{Red} {2,718281828\ldots}} \)
Exponentialfunktionen med basen \( e \,\)
Tar man talet \( {\color{Red} e} \) som bas och bildar potensen \( {\color{Red} {e{\,^x}}} \) får man den s.k. exponentialfunktionen \( {\color{Red} {y = e{\,^x}}} \) med basen \( {\color{Red} e} \, \) som har stor betydelse inom naturvetenskap, teknik och ekonomi:
- Exponentialfunktionen med basen \( \; {\color{Red} e} \)
Egenskaper
- Exponentialfunktionen är alltid positiv: \( \, e\,^x \, > \, 0 \, \) för alla \( \, x \). Den blir aldrig \( 0\, \) eller negativ. Definitionsmängden: alla \( x \).
- \( e\,^0 = 1 \) vilket följer av potenslagen om nollte potens.
- För negativa \( \, x \, \) är \( \, e\,^x < 1 \). För positiva \( \, x \, \) är \( \, e\,^x > 1 \) och växer allt starkare ju större \( \, x \, \) blir.
- Exponentialfunktionen växer starkast bland alla (hittills för oss kända) matematiska funktioner.
Exponentiell tillväxt modelleras med exponentialfunktioner av typ \( \, y = C \cdot e\,^{k \, x} \, \) med \( \, k \, {\color{Red} >} \, 0 \).
Exponentiell minskning modelleras med exponentialfunktioner av typ \( \, y = C \cdot e\,^{k \, x} \, \) med \( \, k \, {\color{Red} <} \, 0 \).
Exponentiell tillväxt (eller minskning) förekommer både i naturvetenskapliga och ekonomiska tillämpningar. Den har en starkare takt än t.ex. potensfunktioner \( \, y = x^2 \, \) (kvadratisk) eller \( \, y = x^3 \, \) (kubisk) osv. Testa gärna genom att rita graferna till potensfunktionerna \( \, y = x^n \, \) för \( \, n = 1, 2, 3, \ldots \, \) och exponentialfunktionen \( \, y = e\,^x \, \) i ett och samma koordinatsystem och jämföra kurvornas branthet.
I repetitionen Exponentialfunktioner och logaritmer hade vi pratat om exponentialfunktioner (i pluralis) därför att vi där inte hade valt en speciell bas. Vilken exponentialfunktion man menar beror på vilken bas man väljer, t.ex. \( y = 2\,^x \) eller \( y = 3\,^x,\;\cdots \).
När man däremot pratar om den exponentialfunktionen (i singularis) utan att nämna basen menar man alltid exponentialfunktionen med basen \( \, e\,\) \(-\) som en slags prototyp för alla exponentialfunktioner.
Den naturliga logaritmen
Exponentialfunktionen ger upphov till den naturliga logaritmfunktionen \( \, {\color{Red} {y = \ln x}} \, \) eller logaritmen till basen \( \, e \, \).
Definition:
\( \ln\,a \, = \; {\rm {\color{Red} {exponenten}}\;} {\color{Red} x} \; {\rm som\;basen\;} e \; {\rm måste\;upphöjas\;till\;för\;att\;ge\;} a {\rm :} \quad \) \( e^{\color{Red} x} = a \quad \Leftrightarrow \quad {\color{Red} x} = \ln\,a \)
Exempel
\( \ln 3 \, \) är det tal (den exponent) som \( \, e \, \) måste upphöjas till för att ge \( \, 3 \). Om vi kallar detta tal för \( \, x \, \) kan vi skriva:
- \[ e\,^x \, = \, 3 \]
Lösningen till denna ekvation är:
- \[ x \, = \, \ln 3 \, = \, 1,098612289 \ldots \]
En prövning visar: \( \, e\,^{1,098612289 \ldots} \, = \, 3 \).
I räknaren står knappen \( {\rm \boxed{\rm{LN}}} \) för Logaritmus Naturalis, medan \( \boxed{\rm{LOG}} \) står för \( \, 10\)-logaritmen.
Så här ser den naturliga logaritmen ut:
- Den naturliga logaritmfunktionen
Egenskaper
- Logaritmen är definierad endast för positiva \( \, x\, \). Definitionsmängden: \( \, x > 0 \).
- \( \ln\,1 = 0 \, \) vilket är logaritmformen till \( \, e\,^0 = 1 \), se egenskap 2 hos exponentialfunktionen.
- För \( x < 1\, \) är logaritmen negativ och för \( x > 1\, \) är den positiv.
- Logaritmen växer allt svagare ju större \( \, x\, \) är.
OBS! Logaritmen är för \( \, x=0 \, \) och för \( \, x<0 \, \) inte definierad.
Inversegenskapen
Experiment 2
Ta fram din miniräknare och tryck på funktionsknappen \( \, e^{\,x} \). Mata in:
- \( 2 \)
och stäng parentesen. När det står \( \; {\bf e} \) ^ \((2) \; \) i displayen, tryck på ENTER. Du har beräknat \( \, e^{\,2} \).
Låt resultatet (något decimaltal) stå i displayen. Leta efter följande funktionsknapp och tryck på den:
- \[ {\rm \boxed{\rm{LN}}} \]
Mata in ANS som står för ANSwer och lagrar räknarens sist beräknade värde, i vårt fall decimaltalet \( e^{\,2} \).
Stäng parentesen och tryck på ENTER så får du tillbaka din \( \, 2\):a som du hade matat in i början.
Du har beräknat \( \, \ln\,(e^{\,2}) \) som ger \( \, 2 \, \):
- \( \ln\,(e^{\,2}) \, = \, 2 \)
Experiment 2 visar ett exempel på att \( \, \boxed{\rm{LN}} \, \) är den inversa operationen till \( \, \boxed{e\,^x} \, \). Generellt gäller:
Den naturliga logaritmen \( \, y \, = \, \ln\,x \, \) är den inversa (motsatta) funktionen till exponentialfunktionen \( \, y \, = \, e\,^x \, \):
- \[ \ln\,(e^{\,x}) \, = \, x \qquad {\rm och\; } \qquad e^{\,\ln\,x} \, = \, x \qquad\quad {\rm I\;ord:\quad } e^{\,x} {\rm \;och\; } \ln\,x \;{\rm {\color {Red} {tar\;ut\;varandra}}.} \]
Inversegenskapen gäller oberoende av operationernas ordning: Vare sig du tar först \( e^{\,x} \) och sedan \( \ln\,x \) eller tvärt om, resultatet blir alltid \( \,x \). Dvs man återvänder till det värde \( \,x \) man hade börjat att använda någon av dessa operationer på. Förutsättningen är förstås att man utför \( e^{\,x} \) och \( \ln\,x \) direkt efter varandra.
Både \( \ln\,(e^{\,x}) \) och \( e^{\,\ln\,x} \) är exempel på s.k. sammansatta funktioner. För sådana funktioner gäller regeln: Sammansatta funktioner exekveras (beräknas) inifrån. Experiment 2 var ett exempel på detta: Först beräknades \( \, e^{\,2} \) och sedan \( \, \ln\,(e^{\,2}) \).
Exponentialekvationen \( e\,^x \, = \, b \)
Precis som exponentialekvationen \( \, 10\,^x \, = \, b \; \) löstes med den inversa operationen till \( \, 10\,^x \), nämligen \( \, 10\)-logaritmen \( \, \lg x \, \), löses ekvationen ovan med den inversa operationen till \( \, e\,^x \), nämligen \( \, \ln\,x \).
Fil:Naturliga logaritmen 40.jpg
Internetlänkar
https://www.youtube.com/watch?v=X-z0aw_q7yM
http://www.youtube.com/watch?v=Z3xsdOvjl4E
http://www.youtube.com/watch?v=_FZJiyqIrG4&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=7RAWXVoyls4
Copyright © 2011-2016 Taifun Alishenas. All Rights Reserved.
