自然对数反函数

自然对数反函数历史上自然对数y=lnx的产生要比e要早些,当时人们对于微分和不定积分的求法已经熟知,并且很早就得到了幂函数的不定积分表达式

但对于n=-1的情况,因n=-1代入幂函数的不定积分表达式中将使分母为0,所以该如何求原函数,或者说到底该如何积分,数学家们采用了多种方法均无法得到满意的回答

例如采用分部积分法,两边减掉,将得到0=1的结论

于是数学家们想到了利用积分变限函数来给出的原函数,即定义一个新的函数根据这个定义立刻可以知道

并且根据可导必连续的性质,lnx在(0,+∞)上处处连续、可导

其导数为(1/x)>0,所以在(0,+∞)单调增加

又根据反常积分和分别发散至可知,函数的值域为R

虽然这与现代对数函数的运算法则和性质相符,但当时人们并没有意识到这就是对数函数,并且以e为底

接下来人们便开始考虑y=lnx的反函数的问题

设y=lnx的反函数为x=f(y),由反函数的求导法则可知,如果用x来表示自变量,y来表示因变量,那么自然对数的反函数y=f(x)满足一个非常重要的性质:即这个函数求导后仍得到它本身,并且当x=0时,y=1,我们把这个函数写作

由反函数的性质可知y=exp(x)是定义在R上的单调递增并且处处连续、可微的函数,其值域为(0,+∞)

由于exp(x)求导后得到它自身并且exp(0)=1,我们便可不断地重复该步骤,通过幂级数的知识可知exp(x)能在R上展开成麦克劳林级数:那为什么后来人们会发现 呢?这是因为当人们在求指数函数y=ax的导数时,采用了这样的方法:根据复合函数的求导法则,

当a=e时,

上文说过,在发明自然对数时,人们不知道y=lnx与e之间的关系,所以不知道lne=1

但是,利用 ,结合归结原则有 ,于是:所以:由于 与 求导以后都得到 ,根据原函数的性质, ,C为积分常数

将x=0代入等式两端,有1=1+C,C=0,即证明了

数学家们才恍然大悟,原来 与 有着千丝万缕的联系,并且知道了 是对数函数的一种,其底为e

又利用 ,得到了令x=1,则又得到了一个关于e的定义式:当然,根据 ,也可以将e定义为使 的x的取值

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