Exponential Arithmetic
指数运算
Rule nameProduct RuleQuotient RuleNegative ExponentPower RuleTower RuleFraction RuleZero RuleOne Rule Rule am×an=am+nan×bn=(a×b)nan/am=an−man/bn=(a/b)na−n=1/an(an)m=an×manm=a(nm)a1/n=naman=an/ma0=10a=0 for a>0a1=a1a=1
Logarithmic Arithmetic
对数运算
aloga(N)logn(1)logb(s)+logb(t)logb(n)−logb(d)p×logb(m)loga(b)=logc(a)logc(b)⟹=N=0=logb(st)=logb(dn)=logb(mp)loga(b)=logb(a)1
(a)
log4(x)1+log5(x)1log5(x)log5(4)+log5(x)1log5(x)log5(4)+1log5(4)+1log5(x)−log5(4)log5(4x)4xx=1=1=1=log5(x)=1=1=5=20
(b)
log4(3)log2(5)log3(4)log2(25)log3(16)log4(9)=log2(5)log2(25)⋅log3(4)log3(16)⋅log4(3)log4(9)=log5(25)⋅log4(16)⋅log3(9)=23=8
(c)
log4(x)+log4(x+6)=2x2+6x=42(x+8)(x−2)=0x=−8,2
其中 x=−8∈/R+,不在 log
定义域中,所以 x=2 only
(d)
(log4(x))2+log4(x3)−4(log4(x))2+3log4(x)−4y2+3y−4(y+4)(y−1)=0log4(x)=−4,1x=2561,4=0=0=0Define y=log4(x)
(e)
log2(x)+log4(9)log2(x)−log2(12)log2(12x)log2(12x)12xx=log2(12)=−log2(4)log2(9)=−21log2(9)=log2(9−21)=31=4
The Origin of e 的起源
参考视频:3Blue1Brown -
【官方双语】微积分的本质 - 05 - 指数函数求导
当我们想对指数函数求导,比如 f(t)=2t,我们通过导数的定义,将其带入
f′(t)=h→0limhf(t+h)−f(t)=h→0limh2t+h−2t
你会发现 2t+h 可以使得其从
lim 中,把 t
拆出来,所以剩下的另外一部分就变成了常数
h→0limh2t+h−2t=h→0limh2t2h−2t=2th→0limh2h−1
而在此时你会发现 lim
没法继续运算,尝试用数值逼近法发现它很像是一个像是 0.693147⋯
的常数,我们先将其按下不表。
而当你在继续尝试求导 8x,16x
都会遇到这样一个奇奇怪怪的常数,所以很自然的,我们会想要寻找到一个没有常数的指数函数的导数,也就是常数为
1 的时候,底数 x 为多少?
h→0limhxt+h−xt=xt⋅1
经过与上文相同的变换方法
h→0limhxt+h−xt=xth→0limhxh−1⟹h→0limhxh−1=1
那么是否存在这么一个数使得等式 h→0limhxh−1=1 成立呢?当然有,那就是 e=2.71828⋯
或者更准确的说,使得等式 h→0limheh−1=1 成立,就是 e 的定义,而 e 是一个无理数,就像 π
为什么就是圆的周长比上它的直径一样,因为这就是 π
的定义,都是我们在变换的过程中会遇到的常数。
这也就是为什么 et
的导数就是它自身,正是因为 h→0limheh−1=1。
所以我们将原来的求导问题变成这样(其中 ln(a) 的定义就是「e 的几次方等于 a」,所以 eln(a)=a)
at=eln(a)t (at)′=(eln(a)t)′ atlna=lna⋅eln(a)t
也就是我们通过把 at 变成
eln(a)t 进而通过 Chain Rule 和
Power Rule 就可以得到 at
的结果。
其实关于 e
的定义有非常多种且互相和证明等价
包括常见的 e:=n→∞lim(1+n1)n
所有的定义以及等价证明可以参考 维基百科
- e (数学常数)
Application
of dxdex=ex 性质的运用
放射性物质 N(t) 的质量随着时间
t 地衰减遵守如下方程
dtdN=−kN(t),k>0
其半衰期(即衰减到一半物质所用的时间)为?
- 一阶 ODE 方法 N(t)dtdN ∫N(t)dtdNdt ln(N(t)) N(t)=−k=∫−k⋅dtapply∫uu′dx=ln∣u∣+C=−kt+CMass>0=ce−kt
写法上来说这种也是一样的
N(t)dN ∫N(t)dtdNdt ln(N(t)) N(t)=−k⋅dtdN=dtdN⋅dt=∫−k⋅dtapply∫uu′dx=ln∣u∣+C=−kt+CMass>0=ce−kt
通过 Chain Rule 我们知道
dtde−kt=e−ktdtd(−kt)=−ke−kt
如果我们从 N0g
开始,
N(t)=N0e−kt
N(t) 就是在 t
时刻还剩下多少物质质量,所以如果我们想知道半衰期是多少
21N0−ktt=N0e−kt=ln(21)=−k1ln(21)
To be continued…