Квант

20

Экспонента

Член-корреспондент АПН СССР
В. Г. БОЛТЯНСКИЙ

В любом школьном учебнике изложение темы о показательной функции и числе e содержит недоказанные утверждения, кратко изложенные места. Объясняется это сложностью темы. Здесь мы рассакем о другом подходе к этим понятиям, посящием их смысла и связь с дифференциальными уравнениями. При таком способе изложения также имеются недоказанные утверждения (обцая теорема существительных и единственности для дифференциальных уравнений и свойство непрерывной функции приимать промежуточные значения). Однако эти недоказанные утверждения имеют простой наглядный смысл и принципальное значение для всей математики.

  1. Задча о падении тела в сопротивляющей среде

На опускашегося парашотиста действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха (остальные возможности для дифференциальных уравнений и свойство непрерывной функции приимать промежуточные значения). Силу сопротивления воздуха можно считать пропорциональной скорости vv, то есть равной по величины qvqv (козффициент qq зависит, в основном, от диаметра и формы парашота). Таким образом,

ma=mg−qv,ma = mg - qv,

где a=v′a = v' — величины ускорения (знак минус перед qvqv связыван с тем, что сила сопротивления воздуха действует противоположно направлению падения; рис. 1). Разделив на mm, получаем

v′=−qmv+g.v' = -\frac{q}{m} v + g. (1)

Соответствие (1) представляет собой линейное дифференциальное уравнение: произvodная неизвестной функции v=v(t)v = v(t) (которую требуется определить из этого уравнения) выражается в виде многочлена первой степени от этой неизвестной функции. Обозначая неизвестную функцию через y=y(x)y = y(x), а коэффициенты через aa и bb, запишем дифференциальное уравнение в виде

y′=ay+b.y' = ay + b. (2)

Таким дифференциальным уравнением описывается не только падение тела в сопротивляющей среде, но и многогрегное физическое процессы.

  1. Теорема существования и единственности

Теорема 1. Каковы бы ни были действительные числа x0,y0x_0, y_0, существует и притом только одна функция y=y(x)y = y(x), являющаяся решение уравнения (2) и удовлетворяющая соответствующую уравнению y(x0)=y0y(x_0) = y_0. Это решение определяно на всей числовой прямой.

Соотношение y(x0)=y0y(x_0) = y_0 называется наальным условием. Таким образом, теорема 1 означает, что уравнение (2) при любом заданном наальном условии имеет решение (и притом единственное).

Приведем геометрическое посяне этой теоремы, причем рассмотрим частный случай, когда a=1a = 1, b=2b = 2, то есть возьмем уравнение

y′=y+2.y' = y + 2. (3)

В точках, где y=0y = 0 (на оси xx), мы имеем, согласно (3), y′=2y' = 2, то есть график исходной функции y(x)y(x) должен иметь в этих точках угловой коэффициент касательной, равный 2. Наметим коротками черточками, проведенными в точках оси абсцисс, направление касательной (рис. 2). Далее, при y=1y = 1 имеем, согласно (3), y′=3y' = 3, то есть в точках прямой y=1y = 1 график исходной функции должен иметь угловой коэффициент касательной, равный 3; наметим в точках прямой y=1y = 1 коротками черточками направление касательной. Мы можем затем наметить черточки и на других прямых, параллельных оси абсцисс (рис. 2). Теперь становится понятным поведение «силовых линей» этого «поля направлений». В каждой точке «силовая линия» касается соответствующей черточки, то есть ее касательная имеет угловой коэффициент y′y', который, в силу построения черточки, равен y+2y + 2. Это означает, что «силовая линия» является графиком функции, удовлетворяющей уравнению (3). Из чертежа понятно, что через каждую точку (x0;y0)(x_0; y_0) проходит «силовая линия» и притом только одна. Это и дает наглядное подтверждение справедливости теоремы 1. Ее доказательство

21

  1. Экспонента

Функция, удовлетворяющая дифференциальному уравнению y′=yy'=y и начальное условию y(0)=1y(0)=1, называется экспонентой и обозначается символьом expr.

Заметим, что уравнение y′=yy'=y является частным случайным уравнения (2); поэтому его решение с начальным условием y(0)=1y(0)=1, в силу теоремы 1, существует и определяено однозначно, причем область определения этого решения (то есть экспоненты) является всячилась прямая.

Непосредственно из определения следует, что экспонента — дифференцируемая функция и ее производная совпадает с этой же функцией (поскольку она является решением уравнения y′=yy'=y):

exp x′=exp x.\text{exp } x' = \text{exp } x. (4)

Теорема 2. Значения функции expr положительных, то есть expr >0>0, для любого действительного xx.

Доказательство. Допустим, что expr x0=0x_0=0 при некотором x0x_0. Тогда функция y=exp xy=\text{exp } x удовлетворяет уравнению y′=yy'=y и условию y(x0)=0y(x_0)=0. Функция y≡0y\equiv 0 также удовлетворяет уравнению y′=yy'=y и условию y(x0)=0y(x_0)=0. При этом функция y=exp xy=\text{exp } x и y≡0y\equiv 0 различны (например, expr 0=10=1, то есть expr 0≠00\neq 0). Но тогда получается, что уравнение y′=yy'=y имеет при начальном условии y(x0)=0y(x_0)=0 два различных решения, что противоречит теореме 1. Итак, равенство expr x=0x=0 не может иметь места ни при каком xx.

Допустим теперь, что при некотором x1x_1 имеем expr x1<0x_1<0. Функция expr дифференцируема и потому непрерывна; следовательно, между двумя точками, в которых она принимает значения различных знаков (exp x1<0\text{exp } x_1<0, expr 0=10=1), эта функция должна обращаться в нуль (рис. 3). Но это, как мы видели, невозможно.

Итак, экспонента не может принимать ни нульового значения, ни отрицательных значений; значит, expr x>0x>0 при любом x∈Rx\in R.

Следствие. Экспонента — возрастоящая функция.

22

Действительно, производная функция exp (то есть сама эта функция) принимает, по теореме 2, лишь положительные значения, и потому функция exp — возрастоящая.

Теорема 3. Для любых p, q ∈ R имеем

exp⁡(p+q)=exp⁡p⋅exp⁡q.\exp(p+q) = \exp p \cdot \exp q. (5)

Доказательство. Рассмотрим функцию y = exp(p+x). Имеем

y′=(exp⁡(p+x))′=exp⁡(p+x)=yy' = (\exp(p+x))' = \exp(p+x) = y

(cм. (4)), то есть эта функция удовлетворяет уравнению y’=y. При этом y(0) = exp p.

Рассмотрим теперь функцию y = exp p · exp x. Имеем

y′=exp⁡p⋅(exp⁡x)′=exp⁡p⋅exp⁡x=yy' = \exp p \cdot (\exp x)' = \exp p \cdot \exp x = y

то есть эта функция также удовлетворяет уравнению y’=y. При этом y(0) = exp p. По теореме 1, рассматриваемые функции совпадают:

exp⁡(p+x)=exp⁡p⋅exp⁡x.\exp(p+x) = \exp p \cdot \exp x.

В частности, при x=q получаем (5).

  1. Число e

Значение функции exp. при x=1 обозначается буквой e, то есть e=exp 1. Чтобы найти приближенное значение числа e, можно поступить следующим образом. Разделим отрезок [0; 1] на n равных частей (каждая из них имеет длину Δx=1/n). Через точку A0 (0; 1) проведем «черточку», соответствующую уравнению y’=y; она имеет угловой коэффициент k1=y, то есть k1=1. Эту «черточку» будем рассматривать над отрезком [0; 1/n]. Правый ее коенц A1 имеет координаты x=1/n, y=1+k1Δx=1+1·1/n=1+1/n (рис. 4).

Через A1 проведем новую «черточку», также соответствующую уравнению y’=y; ее угловой коэффициент равен y (ординате точки A1), то есть равен k2=1+1/n. Эту «черточку» будем рассматривать над [1/n; 2/n]. Правый ее коенц A2 имеет координаты

x=2n,y=(1+1n)+k2Δx=x = \frac{2}{n}, y = \left(1 + \frac{1}{n}\right) + k_2 \Delta x =

=(1+1n)+(1+1n)⋅1n=(1+1n)2= \left(1 + \frac{1}{n}\right) + \left(1 + \frac{1}{n}\right) \cdot \frac{1}{n} = \left(1 + \frac{1}{n}\right)^2

Через A2 снова проведем «черточку», соответствующую уравнению y’=y. Ее угловой коэффициент k3 равен ordinate точки A2, то есть k3=(1+1/n)^2, а правый коенц A3 имеет координаты x=3/n, y=(1+1/n)^2+k3Δx = (1+1/n)^3.

Продолжая, мы получим ломанную A0A1A2…An — ломанную Эйлера для уравнения y’=y (на рис. 4 для удобства взятые разные масштабы на осях); точка An имеет координаты x=1, y=(1+1/n)^n. Эта ломанная дает приближенное представление о решении уравнения y’=y, проходящем через точку A0, то есть о функции y=exp x (красный график на рисунке 4); в частности, точка An близко расположена к точке графика y=exp x, имеющей абсциссу x=1, то есть к точке (1; e). Иначе говоря, (1+1/n)^n≈e. Чем больше n, тем более точным является это приближенное равенство, и потому

lim⁡n→∞(1+1n)n=e.\lim_{n \to \infty} \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n = e. (6)

Например, взяв n=1 000 000, то есть выполнив действие 1,0000011000000 (это нетрудно сделать с помощью микрокалькулятора), находим e=2,7182818…

  1. Обозначение e^x

Лемма. Для любого рационального x справедливо равенство

exp⁡x=ex.\exp x = e^x. (7)

Писс. 4.

23

Доказательство. Последовательно применяя формулу (5), находим
exp⁡2x=exp⁡(x+x)=exp⁡x⋅exp⁡x=(exp⁡x)2,\exp 2x = \exp (x+x) = \exp x \cdot \exp x = (\exp x)^2,
exp⁡3x=exp⁡(2x+x)=exp⁡2x⋅exp⁡x=(exp⁡x)2⋅exp⁡x=(exp⁡x)3\exp 3x = \exp (2x+x) = \exp 2x \cdot \exp x = (\exp x)^2 \cdot \exp x = (\exp x)^3
и т. д. Итак, для натурального nn имеем
exp⁡nx=(exp⁡x)n,\exp nx = (\exp x)^n,
откуда exp⁡x=(exp⁡nx)1/n\exp x = (\exp nx)^{1/n}. Поляга здесь x=m/nx=m/n (где mm — натуральное), получаем
exp⁡mn=(exp⁡m)1/n=(exp⁡m⋅1)1/n=((exp⁡1)m)1/n=(exp⁡1)m/n=em/n\exp \frac{m}{n} = (\exp m)^{1/n} = (\exp m \cdot 1)^{1/n} = \left((\exp 1)^m\right)^{1/n} = (\exp 1)^{m/n} = e^{m/n}
Это означает, что для положительного рационального числа x=m/nx=m/n доказываемая lemma справедлива. Легко проверить, что она остается справедливой и для отрицательных рациональных чисел (а также для x=0x=0).
Условия считать по определению, что соответствие (7) справедливо для любого действительного числа xx. Иначе говоря, мы условия считать exe^x просто другой формул записи для exp⁡x\exp x (причем для рациональных xx эта форма записи согласно в силу доказанной lemмы с понятным стелени с рациональным показателем). При использовании этого обозначения формула (5) прибретает привчный вид ep+q=epeqe^{p+q} = e^p e^q. Заметим, что в математической литературе используется обе формулы записи экспоненты: y=exy=e^x и y=exp⁡xy=\exp x.

  1. Решение дифференциальных уравнений

При записи решения дифференциальных уравнений чаще применяют обозначение exe^x, а не exp⁡x\exp x. Этот традиции мы и будем придерживаться.

Теорема 4. При a≠0a \neq 0 решение дифференциального уравнения (2) с начальным условиям y(0)=y0y(0)=y_0 имеет вид
y=−ba+ceax,y = -\frac{b}{a} + ce^{ax},
(8)
eδe=b/a+y0.e\delta e = b/a + y_0.
Доказательство. Так как (согласно теореме 1) исключение единственного, то достаточно лишь проверить, что функция (8) (при указанном значении cc) удовлетворяет уравнению (2) и требуему начальному условияю. Имеем
y′=(ceax)′=c(eax)′=caeax=a(ceax)=a(y+ba)=ay+b,y' = (ce^{ax})' = c(e^{ax})' = cae^{ax} = a(ce^{ax}) = a(y + \frac{b}{a}) = ay + b,
то есть функция (8), действительно, удовлетворяет уравнению (2) (при любом значении постоянной cc). Далее,
y(0)=−ba+ce0=−ba+c=−ba+(ba+y0)=y0.y(0) = -\frac{b}{a} + ce^0 = -\frac{b}{a} + c = -\frac{b}{a} + \left(\frac{b}{a} + y_0\right) = y_0.
значит, при указанном значении cc функция yy удовлетворяет и требуемому начальному условияю.

Доказанную теорему обещено применяют следующим образом. Слагаемое y=−b/ay = -b/a легко запомнить: оно получается, если y′y' приравнять нулю; далее, коэффициент aa при неизвестной функции в (2) становится коэффициентом при аргументе в показатель экспоненты. Что же касается常态ы cc, то ее значение (указанное в теореме 4) обычно не запомниют, а в каждом конкретном примере находится cc с помощью начальных условий.

Пример 1. Масса m(t)m(t) радиоактивного вещества, имеющегося в куске породы в момент tt, с течение времени убывает, то есть производаная m′(t)m'(t) (скорость распада) отрицательна. При необходимости количество радиоактивного вещества скорость распада пропорциональна массе радиоактивного вещества:
m′=−kmm' = -km
(где коэффициент k>0k > 0 зависит от вида радиоактивного вещества). Найти закон изменения массы m(t)m(t) с течение времени, если в начальной момент t=0t=0 масса имеющегося радиоактивного вещества была равна m0m_0.

Решение. По теореме 4 имеем m(t)=ce−ktm(t) = ce^{-kt}. Подставляя t=0t=0, получаем m0=ce0m_0 = ce^0, откуда c=m0c = m_0. Окончательное имеем m(t)=m0e−ktm(t) = m_0e^{-kt}.

Пример 2. Через какой промежуток времени TT количество радиоактивного вещества уменьшитсяровно вдвое?

Решение. Надо найти TT из уравнения m0/2=m0e−kTm_0/2 = m_0e^{-kT}, то есть e−kT=1/2e^{-kT} = 1/2, или ekT=2e^{kT} = 2. Это соответствие равновесью следующему: ln⁡2=kT\ln 2 = kT, откуда T=(ln⁡2)/k≈0.7/kT = (\ln 2)/k \approx 0.7/k.

Значение T=(ln⁡2)/kT = (\ln 2)/k называется перiodом полураспада. Он зависит от kk (то есть радиоактивного вещества); например, для радия T≈1600T \approx 1600 лет.

24

Пример 3. Найти закон падения тела в сопротивляющей среде, зная, что при t=0t=0 скорость падения была равна v0v_0.

Решение. Из уравнения (1) находим по теореме 4:

v(t)=mgq+ce−qmt.v(t) = \frac{mg}{q} + ce^{-\frac{q}{m}t}.

Подставляя t=0t=0, получаем v0=mg/q+ce0v_0=mg/q+ce^0, откуда c=v0−mg/qc=v_0-mg/q. Таким образом, окончательное имеем

v(t)=mgq+(v0−mgq)e−qmt.v(t) = \frac{mg}{q} + \left(v_0 - \frac{mg}{q}\right)e^{-\frac{q}{m}t}.

Так как e−qmt→0e^{-\frac{q}{m}t} \to 0 при t→∞t \to \infty, то v(t)→mg/qv(t) \to mg/q, стало бы, скорость падения постепенно установливается. Например, парашютист, падающий в затяжном прыжке с большой скоростью, после раскрытия парашюта быстро прибретает примерно постоянную скорость mg/qmg/q (зависшую от массы парашютиса и параметров парашюта). Это позволяет расчитать парашют так, чтобы приземление было безопасным.

Задание

  1. Докажите, что для любого x≠0x \neq 0 справедливо уравнение x>x+1x > x+1.
  2. Используя неравенство exp⁡1n>1+1n\exp \frac{1}{n} > 1 + \frac{1}{n} (см. задач 1), докажите, что e>(1+1/n)ne > (1+1/n)^n.
  3. Используя неравенство exp⁡(−1n+1)>1−1n+1\exp \left(-\frac{1}{n+1}\right) > 1 - \frac{1}{n+1} (см. задач 1), докажите, что e>(1+1/n)ne > (1+1/n)^n, то есть e<(1+1/n)n+1e < (1+1/n)^{n+1}.
  4. С помощью неравенств, полученных в задач 2 и 3, докажите справедливо равенства (6).
  5. Докажите, что решение уравнения (2) с начальным условием y(x0)=y0y(x_0)=y_0 имеет вид (8), где c=(b/a+y0)e−ax0c=(b/a+y_0)e^{-ax_0}.
  6. В момент t=t0t=t_0 масса имевшегося в куске породы радиоактивного вещества была равна m0m_0, а в момент t=t1t=t_1 она оказалась равной m1m_1. Определите период полураспада.
  7. При распаде одного грама радиоактивного вещества образуется dd граммов продукта распада. Перiod полураспада TT этого радиоактивного вещества известен. Определите возраст куска породы, если в нем имеется pp граммов расматриваемого радиоактивного вещества и qq граммов продукта его распада.
  8. В результате теплобмена со средой нагретое тело постепенно охлаждается, то есть его температура t(τ)t(\tau) уменьшается со временем τ\tau. Согласно закону охлаждения Ньютона, скорость охлаждения пропорциональна разности температуры тела и среды: t′(τ)=−k(t(τ)−tcp)t'(\tau) = -k(t(\tau) - t_{cp}). Считая температур среды tcpt_{cp} постоянной, выведите формулу закона охлаждения.
  9. Сила тока I(t)I(t), протекающего в RLRL-целии (рис. 5), изменяется по правли LI′+RI=ELI' + RI = E, где LL — индуктивность катушки, RR — сопротивление резистора. Определите закон I(t)I(t) изменения тока, если в момент замыкания цепи (t=0t=0) ток был нулеевым.
  10. В RLRL-контуре (рис. 6) в момент t=0t=0 протекал ток I0I_0. Определите значение протекающего в цепи тока при t>0t>0.
  11. Наряжение u(t)u(t) (разность потенциаль на обкладках конденсатора) изменяется в RCRC-целии (рис. 7) по правли Cu′+u/R=0Cu' + u/R=0. Определите характеристика изменения напряжения, если в момент t=0t=0narяжение было равно u0u_0.
  12. Рассмотрев ломанную Эйлера для уравнения y′=yy'=y с начальным условием y(0)=1y(0)=1, показите, что при фиксированном x>0x>0 последовательность (1+x/n)n(1+x/n)^n возвращается и ограничена.
  13. Пользовясь теоремой Вейерштрасса об ограниченной возрастанию последовательности и задачей 12, установите существование предела (1+x/n)n(1+x/n)^n при фиксированном x≥0x \geq 0, а затем и при x<0x<0.
    14*. Докажите существование экспоненты. Указание. Положив y(x)=lim⁡n→∞(1+x/n)ny(x)=\lim_{n \to \infty} (1+x/n)^n (см. задач 13), вычислите произведение y′(x)y'(x) и установленное, что y′(x)=lim⁡n→∞(1+x/n)ny'(x)=\lim_{n \to \infty} (1+x/n)^n; выведите отicioда, что y(x)y(x) является решением уравнения y′=yy'=y с начальным условием y(0)=1y(0)=1. (При вычислении y′(x)y'(x) воспользоваться формулой биома Ньютона.)
    15*. Докажите единственное экспоненты. Указание. Предположите противное (существование двух разных экспонент) и рассмотрите их разность.