2.71828...、自然対数の底
数学で使用される定数値
オイラー数 タイプ 超越的 発見した 1685 による ヤコブ・ベルヌーイ 最初の言及 使用目的以外の質問、さまざまな問題の解決、エフェムでの提案。ゴール。 A. 1685 名前の由来
方程式 y = 1/ x のグラフ。ここで、 eは 曲線の下の 網掛け部分が 1 となるような 1 より大きい数です 。
e は数学定数 で 、約 2.71828 に等しく、 自然対数 と 指数関数 の 底 である 。 スイスの数学者レオンハルト ・オイラーにちなんで オイラー数と呼ばれることもあるが、これは オイラー数 や、 通常 で表される別の定数である オイラー定数 と混同される可能性がある 。あるいは、 e は ジョン・ネイピア にちなんで ネイピア定数 と呼ばれることもある 。 [ 2 ] [ 3 ] スイスの数学者 ヤコブ・ベルヌーイは 複利の 研究中にこの定数を発見した 。 [ 4 ] [ 5 ]
γ
{\displaystyle \gamma}
数 e は数学において非常に重要な数であり [ 6 ] 、 0、1、 π 、 i と並んで重要な意味を持つ。これら5つはすべて オイラーの恒等式 の定式化に現れ、数学のあらゆる場面で重要かつ繰り返し使用される。 [ 7 ] [ 8 ] 定数 π と同様に、 e は 無理数 であり 、整数の比として表すことができない。さらに、 e は 超越数 であり、有理数係数を持つ 非ゼロ 多項式の根ではない。 [ 3 ] 小数点以下30桁まで、 e の値は次のように 表される。 [ 1 ]
e
私
π
+
1
=
0
{\displaystyle e^{i\pi }+1=0}
2.71828 18284 59045 23536 02874 71352
数値 eは、 複利
の計算で生じる式の 限界
です 。
リム
n
→
∞
(
1
+
1
n
)
n
、
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }\left(1+{\frac {1}{n}}\right)^{n},}
それは無限級数 の和である
e
=
∑
n
=
0
∞
1
n
!
=
1
+
1
1
+
1
1
⋅
2
+
1
1
⋅
2
⋅
3
+
⋯
。
{\displaystyle e=\sum \limits _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{n!}}=1+{\frac {1}{1}}+{\frac {1}{1\cdot 2}}+{\frac {1}{1\cdot 2\cdot 3}}+\cdots .}
関数 y = a x のグラフがx = 0 で 傾き 1 になるような唯一の正の数 a です 。
が成り立ちます。 ここで は (自然) 指数関数であり、それ自身の 導関数 に等しく、次式を 満たす唯一の関数です。 したがって、 e は 自然対数 の底であり 、自然指数関数の逆関数でもあります。
e
=
経験
(
1
)
、
{\displaystyle e=\exp(1),}
経験
{\displaystyle \exp}
経験
(
0
)
=
1.
{\displaystyle \exp(0)=1.}
数 eは 積分 によって特徴付けられる : [ 9 ]
∫
1
e
d
×
×
=
1.
{\displaystyle \int _{1}^{e}{\frac {dx}{x}}=1.}
その他の特徴については、 § 表現を 参照してください。
この定数への最初の言及は、1618年にジョン・ネイピア による対数に関する著作の付録表の中で発表された 。しかし、この表には定数そのものは含まれておらず、単に を底とする対数の一覧が記載されていた。この表は
e
{\displaystyle e}
ウィリアム・オートレッド によって書かれたと推定されている 。1661年、 クリスティアーン・ホイヘンスは幾何学的手法による対数計算方法を研究し、後から考えれば e の10を底とする対数である量を計算したが、彼は e そのものを興味深い量として 認識していなかった。 [ 5 ] [ 10 ]
この定数自体は1683年に ヤコブ・ベルヌーイ によって、利息の 連続複利 問題を解くために導入されました。 [ 11 ] [ 12 ]
彼の解法では、定数 eは、 nが
複利 が評価される年間の間隔の数(例えば、月次複利の場合)を表す 極限
として現れます 。
リム
n
→
∞
(
1
+
1
n
)
n
、
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }\left(1+{\frac {1}{n}}\right)^{n},}
n
=
12
{\displaystyle n=12}
この定数を表す最初の記号はゴットフリート・ライプニッツ が 1690年と1691年にクリスティアーン・ホイヘンスに宛てた手紙の中で 使った文字 bでした。 [ 13 ]
レオンハルト・オイラーは、1727年か1728年に大砲の爆発力に関する未発表論文 [ 14 ] と、 1731年11月25日の クリスティアン・ゴールドバッハ への手紙 の中で、定数に文字 「e」 を使い始めました。 [ 15 ] [ 16 ] 印刷物で 「e」 が初めて登場したのは、オイラーの 『力学』 (1736年)です。 [ 17 ] オイラーがなぜ文字「e」 を選んだのかは不明です 。 [ 18 ] その後、 一部の研究者は文字 「c」を使用しましたが、文字 「e」 の方が一般的で、最終的に標準となりました。 [ 2 ]
オイラーは、 e が 無限級数
の和であり、 n ! が n の 階乗
であることを証明した 。 [ 5 ] 極限と無限級数を用いた2つの特徴付けの同値性は、二項定理 によって証明できる 。 [ 19 ]
e
=
∑
n
=
0
∞
1
n
!
=
1
0
!
+
1
1
!
+
1
2
!
+
1
3
!
+
1
4
!
+
⋯
、
{\displaystyle e=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{n!}}={\frac {1}{0!}}+{\frac {1}{1!}}+{\frac {1}{2!}}+{\frac {1}{3!}}+{\frac {1}{4!}}+\cdots ,}
初期投資額1,000ドル に対し、様々な複利頻度で年間20%の利息を得られる効果 。上図の限界曲線はグラフで 、 y はドル単位、 t は年数、0.2 = 20%です。
y
=
1000
e
0.2
t
{\displaystyle y=1000e^{0.2t}}
ヤコブ・ベルヌーイは1683年に複利 に関する問題を研究しているときにこの定数を発見した 。 [ 5 ]
口座は1ドルから始まり、年利100%の利息が付きます。利息が年末に一度だけ入金された場合、年末の口座残高は2ドルになります。年間を通して利息が計算され、より頻繁に入金された場合はどうなりますか?
利息が年間2回支払われる場合、6ヶ月ごとの利率は50%となるため、当初の1ドルは1.5倍に2回乗じられ、 年末には 1.00ドル × 1.5 2 = 2.25ドルとなる。四半期複利計算では 1.00ドル × 1.25 4 = 2.44140625ドル 、月複利計算では 1.00ドル × (1 + 1/12) 12 = 2.613035ドルとなる。n 回 の複利計算期間がある場合、各期間の利息は 100%/ n となり 、年末には1.00ドル × (1 + 1/ n ) n となる。 [ 20 ] [ 21 ]
ベルヌーイは、この数列がn が大きくなるほど 、つまり複利計算の間隔が短くなると、 極限( 利子の力 )に近づくことに気づきました。 [ 5 ] 毎週複利計算( n = 52 )すると $2.692596... になり、毎日複利計算( n = 365 )すると $2.714567...(約 2 セント多く)になります。n が大きくなるにつれてこの極限に達する数字が e として知られるようになりました 。つまり、 継続 複利を適用すると、口座残高は $2.718281828... に達します。より一般的には、1 ドルから始まり、年利 Rの口座は、 t 年 後には継続複利で e Rt ドルの利回りを生み出します。ここで、 Rは パーセント で表した利率の小数点以下です 。つまり、5 % の利子の場合、 R = 5/100 = 0.05 となります 。 [ 20 ] [ 21 ]
n 回の ベルヌーイ試行後に確率 1/ n の独立したイベント が観測され ない確率 P と、 1 − P 対 n のグラフ。n が増加すると、 n 回の試行後に 1/ n の確率のイベントが決して出現しない 確率が 急速に 1/ e に収束する ことがわかります 。
数 e 自体も 確率論 において、指数関数的増加とは明らかに関連しない形で応用されています。例えば、あるギャンブラーが n回に 1 回の確率で配当が出るスロットマシンを n 回プレイしたとします。n が 増加するにつれて、ギャンブラーが n 回すべての賭けに負ける確率は 1/ e に近づき 、これは約 36.79% です。n = 20の場合、これはすでに 1/2.789509... (約 35.85%) です 。
これはベルヌーイ試行 過程の例です 。ギャンブラーがスロットをプレイするたびに、 n 回に1回の確率で勝てます。n回プレイする確率 は 二項分布 によってモデル化され、これは 二項定理 や パスカルの三角形 と密接に関連しています。n 回 の試行 で k 回勝つ確率は [ 22 ]です。
Pr
[
k
w
i
n
s
o
f
n
]
=
(
n
k
)
(
1
n
)
k
(
1
−
1
n
)
n
−
k
.
{\displaystyle \Pr[k~\mathrm {wins~of} ~n]={\binom {n}{k}}\left({\frac {1}{n}}\right)^{k}\left(1-{\frac {1}{n}}\right)^{n-k}.}
特に、0回勝つ確率( k = 0 )は
Pr
[
0
w
i
n
s
o
f
n
]
=
(
1
−
1
n
)
n
.
{\displaystyle \Pr[0~\mathrm {wins~of} ~n]=\left(1-{\frac {1}{n}}\right)^{n}.}
上記の式の限界は、 n が 無限大に近づくにつれて、正確に 1/ e になります。
指数関数的増加は 、量が時間の経過とともに常に増加する割合で増加するプロセスです。これは、 量の時間に対する瞬間的な 変化率 (つまり、 導関数 )が量自体に 比例するときに発生します。 [ 21 ] 関数として記述すると、指数関数的に増加する量は時間の 指数関数 であり、つまり、時間を表す変数が指数です( 2 次増加 などの他の種類の増加とは対照的です)。比例定数が負の場合、量は時間の経過とともに減少し、代わりに 指数関数的減少を起こしていると言われます。指数関数的増加の法則は、異なる 底 を使用することで、異なるが数学的に等価な形式で記述できます。底に は数値 e が一般的で便利な選択肢です。
ここで、 は量 x の初期値、 k は増加定数、 は量が e 倍に増加するのにかかる時間です 。
x
(
t
)
=
x
0
⋅
e
k
t
=
x
0
⋅
e
t
/
τ
.
{\displaystyle x(t)=x_{0}\cdot e^{kt}=x_{0}\cdot e^{t/\tau }.}
x
0
{\displaystyle x_{0}}
τ
{\displaystyle \tau }
平均がゼロで標準偏差が1の正規分布は 標準正規分布 として知られており、 [ 23 ] 確率密度関数 によって与えられる。
ϕ
(
x
)
=
1
2
π
e
−
1
2
x
2
.
{\displaystyle \phi (x)={\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}e^{-{\frac {1}{2}}x^{2}}.}
単位標準偏差(したがって単位分散)の制約により、 1 / 2 指数に が含まれ、曲線下の総面積が 単位であるという制約により、係数 が与えられます 。この関数は x = 0 を 中心に対称で、最大値 に達し 、 x = ±1 に 変曲点を 持ちます。
ϕ
(
x
)
{\displaystyle \phi (x)}
1
/
2
π
{\displaystyle \textstyle 1/{\sqrt {2\pi }}}
1
/
2
π
{\displaystyle \textstyle 1/{\sqrt {2\pi }}}
e のもう 1 つの応用は、 ピエール・レモン・ド・モンモール とヤコブ・ベルヌーイによって部分的に発見されたもので、 帽子チェック問題 としても知られる、 混乱 の問題です 。 [ 24 ] n 人のゲストがパーティに招待され、入り口でゲスト全員が執事に帽子を預けます。執事は、各ゲストの名前が 1 つ付いた n個の箱に帽子を入れます。しかし、執事はゲストの身元を尋ねていないため、帽子はランダムに選ばれた箱に入れられます。ド・モンモールの問題は、 どの 帽子も正しい箱に入れられない 確率を求めることです。この確率は と表され、次の式で表され ます。
p
n
{\displaystyle p_{n}\!}
p
n
=
1
−
1
1
!
+
1
2
!
−
1
3
!
+
⋯
+
(
−
1
)
n
n
!
=
∑
k
=
0
n
(
−
1
)
k
k
!
.
{\displaystyle p_{n}=1-{\frac {1}{1!}}+{\frac {1}{2!}}-{\frac {1}{3!}}+\cdots +{\frac {(-1)^{n}}{n!}}=\sum _{k=0}^{n}{\frac {(-1)^{k}}{k!}}.}
n が 無限大に近づくにつれて 、 p n は 1/ e に近づく 。さらに、どの帽子も正しい箱に入らないように帽子を箱に入れる方法の数は、任意の正の nに対して 、 最も近い整数に丸め て n !/ e となる。 [ 25 ]
の最大値は で発生します 。同様に、底 b > 1 の任意の値に対して、 の最大値は で 発生します ( シュタイナーの問題 、後述 ) 。
x
x
{\displaystyle {\sqrt[{x}]{x}}}
x
=
e
{\displaystyle x=e}
x
−
1
log
b
x
{\displaystyle x^{-1}\log _{b}x}
x
=
e
{\displaystyle x=e}
これは、長さLの棒を n 等分する 問題で役立ちます。 長さの積を最大化する n の値は [ 26 ]のいずれかです。
n
=
⌊
L
e
⌋
{\displaystyle n=\left\lfloor {\frac {L}{e}}\right\rfloor }
または
⌈
L
e
⌉
.
{\displaystyle \left\lceil {\frac {L}{e}}\right\rceil .}
この量は、確率 ( の 場合にほぼ) で発生するイベントから収集される 情報 の尺度でもあるため、 秘書問題 のような最適計画問題では本質的に同じ最適な分割が現れる 。
x
−
1
log
b
x
{\displaystyle x^{-1}\log _{b}x}
1
/
x
{\displaystyle 1/x}
36.8
%
{\displaystyle 36.8\%}
x
=
e
{\displaystyle x=e}
数 eは、 漸近挙動を 伴う多くの問題において自然に現れる 。例えば、 階乗関数 の 漸近挙動 に関する スターリングの公式 では、数 e と πの 両方が現れる。 [ 27 ]
n
!
∼
2
π
n
(
n
e
)
n
.
{\displaystyle n!\sim {\sqrt {2\pi n}}\left({\frac {n}{e}}\right)^{n}.}
その結果、 [ 27 ]
e
=
lim
n
→
∞
n
n
!
n
.
{\displaystyle e=\lim _{n\to \infty }{\frac {n}{\sqrt[{n}]{n!}}}.}
関数 x ↦ a x のグラフは、 a = 2 (点線)、 a = e (青)、 a = 4 (破線)の場合に示されています 。これらはすべて点 (0,1) を通りますが、赤い線(傾き 1 )はそこでのみ e x に接します 。
引数e に対する自然対数関数の値 、つまり ln e は 1 になります 。
特に 微積分学 において数 eを導入する主な動機は、 指数 関数 と 対数関数を用いて微分積分 を 行う ためである 。 [ 28 ] 一般的な指数 関数 y = a x には導関数があり、その導関数は 極限 で与えられる 。
d
d
x
a
x
=
lim
h
→
0
a
x
+
h
−
a
x
h
=
lim
h
→
0
a
x
a
h
−
a
x
h
=
a
x
⋅
(
lim
h
→
0
a
h
−
1
h
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {d}{dx}}a^{x}&=\lim _{h\to 0}{\frac {a^{x+h}-a^{x}}{h}}=\lim _{h\to 0}{\frac {a^{x}a^{h}-a^{x}}{h}}\\&=a^{x}\cdot \left(\lim _{h\to 0}{\frac {a^{h}-1}{h}}\right).\end{aligned}}}
右辺の括弧で囲まれた極限は 変数 x に依存しません。その値は、 e を底とする a の対数となります。したがって、 a の値を e と すると 、 この極限は 1 となり 、 次の単純な恒等式が成立します。
d
d
x
e
x
=
e
x
.
{\displaystyle {\frac {d}{dx}}e^{x}=e^{x}.}
したがって、 e を底とする指数関数は 微積分を行うのに特に適しています。指数関数の底として(他の数ではなく) eを 選択する と、導関数を含む計算がはるかに簡単になります。
もう1つの動機は、対数a の導関数 (つまり log a x ) [ 28 ] ( x > 0 の場合 )を考えることから来ています 。
d
d
x
log
a
x
=
lim
h
→
0
log
a
(
x
+
h
)
−
log
a
(
x
)
h
=
lim
h
→
0
log
a
(
1
+
h
/
x
)
x
⋅
h
/
x
=
1
x
log
a
(
lim
u
→
0
(
1
+
u
)
1
u
)
=
1
x
log
a
e
,
{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {d}{dx}}\log _{a}x&=\lim _{h\to 0}{\frac {\log _{a}(x+h)-\log _{a}(x)}{h}}\\&=\lim _{h\to 0}{\frac {\log _{a}(1+h/x)}{x\cdot h/x}}\\&={\frac {1}{x}}\log _{a}\left(\lim _{u\to 0}(1+u)^{\frac {1}{u}}\right)\\&={\frac {1}{x}}\log _{a}e,\end{aligned}}}
ここで u = h / x と置き換えた。e の対数 aは 、 aが e に等しい 場合、底が1である 。したがって、記号的に言えば、
d
d
x
log
e
x
=
1
x
.
{\displaystyle {\frac {d}{dx}}\log _{e}x={\frac {1}{x}}.}
この特殊な底を持つ対数は 自然対数 と呼ばれ、通常は ln と表記されます。計算中に未定の制限がないため、微分しても適切に動作します。
したがって、このような特別な数a を 選択するには2つの方法があります 。1つは、指数関数 a x の導関数をa x と等しくし 、 a について解くことです。もう1つは、 aを底とする対数の導関数を 1/ x と等しくし、 a について解くことです。いずれの場合も、微積分を行うのに都合の良い底の選択に至ります。これらの2つの a の解は、実際には 同じ 値、つまり e であることがわかります 。
5つの色付きの領域は面積が等しく、 双曲線 に沿った 双曲線角度の単位を定義します。
x
y
=
1.
{\displaystyle xy=1.}
指数関数のテイラー 級数は 、指数関数がそれ自身の導関数であり、0で評価すると1になるという事実から演繹できる。 [ 29 ]
を設定すると、 e が無限級数の和であるという定義が復元される 。
e
x
=
∑
n
=
0
∞
x
n
n
!
.
{\displaystyle e^{x}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {x^{n}}{n!}}.}
x
=
1
{\displaystyle x=1}
自然対数関数は 1 からまで の積分として定義でき 、指数関数は自然対数の逆関数として定義できます。数 e は指数関数の における値 、つまり自然対数が 1 となる数です。したがって、 e は次式を満たす唯一の正の実数です。
x
{\displaystyle x}
1
/
t
{\displaystyle 1/t}
x
=
1
{\displaystyle x=1}
∫
1
e
1
t
d
t
=
1.
{\displaystyle \int _{1}^{e}{\frac {1}{t}}\,dt=1.}
e x は (定数 Kを 乗じない限り)それ自身の 導関数 に等しい 唯一の関数である ため 、
d
d
x
K
e
x
=
K
e
x
,
{\displaystyle {\frac {d}{dx}}Ke^{x}=Ke^{x},}
したがって、それはそれ自身の 反微分 でもある: [ 30 ]
∫
K
e
x
d
x
=
K
e
x
+
C
.
{\displaystyle \int Ke^{x}\,dx=Ke^{x}+C.}
同様に、関数族
y
(
x
)
=
K
e
x
{\displaystyle y(x)=Ke^{x}}
ここで Kは任意の実数または複素数であり、 微分方程式 の完全解である。
y
′
=
y
.
{\displaystyle y'=y.}
指数関数 y = 2 x と y = 4 x は 、それぞれ y = x + 1 のグラフと x = 1 と x = −1/2 で交差します。数 eは、 y = e x がx = 0 でのみ交差する ような唯一の底です。e は 2 から 4 の間である と推測できます。
数 eは 、
すべての正の x に対して成り立つ唯一の実数である
。 [ 31 ]
(
1
+
1
x
)
x
<
e
<
(
1
+
1
x
)
x
+
1
{\displaystyle \left(1+{\frac {1}{x}}\right)^{x}<e<\left(1+{\frac {1}{x}}\right)^{x+1}}
また、すべての実数 x に対して不等式が成り立ち
、等式が成り立つのは x = 0 のときのみである 。さらに、 e はすべての x に対して不等式 a x ≥ x + 1 が成り立つような指数関数の唯一の底である。 [ 32 ] これはベルヌーイの不等式 の極限ケースである 。
e
x
≥
x
+
1
{\displaystyle e^{x}\geq x+1}
x √ x の 最大 値は x = e で発生します 。
シュタイナーの問題は 関数
の最大値 を求めるものである。
f
(
x
)
=
x
1
x
.
{\displaystyle f(x)=x^{\frac {1}{x}}.}
この最大値はまさに x = e のときに発生します。( x がこの値 の場合のみ、 ln f ( x ) の導関数がゼロになることを確認できます 。)
同様に、 x = 1/ e は関数
の最小値 となる。
f
(
x
)
=
x
x
.
{\displaystyle f(x)=x^{x}.}
無限 テトレーション
x
x
x
⋅
⋅
⋅
{\displaystyle x^{x^{x^{\cdot ^{\cdot ^{\cdot }}}}}}
または
∞
x
{\displaystyle {^{\infty }}x}
収束するのはx ∈ [(1/ e ) e , e 1/ e ] ≈ [0.06599, 1.4447] の場合のみであり 、 [ 33 ] [ 34 ] レオンハルト・オイラーの定理 によって示される 。 [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]
実数 eは 無理数 である 。 オイラーは、その 単純な連分数 展開が停止しない ことを示してこれを証明した。 [ 38 ] ( フーリエ による e が無理数である ことの証明 も参照のこと。)
さらに、 リンデマン・ワイエルシュトラスの定理 によれば、 eは 超越数 であり 、有理係数を持つ非零多項式方程式の解ではない。e は、この目的のために特別に構築されることなく超越数であることが証明された最初の数である( リウヴィル数 と比較のこと)。証明は 1873年に シャルル・エルミートによってなされた。 [ 39 ] e は、正確な 無理数指数 が既知である数少ない超越数の一つである ( によって与えられる )。 [ 40 ]
μ
(
e
)
=
2
{\displaystyle \mu (e)=2}
これまで 未解決の問題 は、 e と πが 代数的に独立で あるかどうかである。これは、リンデマン=ワイエルシュトラスの定理の未証明の一般化である シャヌエル予想 によって解決されるであろう 。 [ 41 ] [ 42 ]
eは 正規分布し ている と考えられており 、これは eを任意の 基数 で表した場合 、その基数で可能な数字が均一に分布している(与えられた長さの任意のシーケンスで等しい確率で発生する)ことを意味する。 [ 43 ]
代数幾何学 において 、 周期と は代数関数の代数 領域 における 積分として表される数である 。定数 π は周期であるが、 eは 周期ではないと推測されている。 [ 44 ]
指数 関数 e x はテイラー級数 として表される [ 45 ] [ 29 ]
e
x
=
1
+
x
1
!
+
x
2
2
!
+
x
3
3
!
+
⋯
=
∑
n
=
0
∞
x
n
n
!
.
{\displaystyle e^{x}=1+{x \over 1!}+{x^{2} \over 2!}+{x^{3} \over 3!}+\cdots =\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {x^{n}}{n!}}.}
この級数は x のあらゆる 複素数 値に対して 収束するため、 e x の定義を 複素数に拡張するためによく使用されます。 [ 46 ] これと sin と cos x のテイラー級数を組み合わせると、オイラーの公式 を導くことができます 。
e
i
x
=
cos
x
+
i
sin
x
,
{\displaystyle e^{ix}=\cos x+i\sin x,}
これはすべての複素数 x に対して成り立つ。 [ 46 ] x = π の特別な場合は オイラーの恒等式 である 。
e
i
π
+
1
=
0
,
{\displaystyle e^{i\pi }+1=0,}
これは数学における最も基本的な数の間の深い繋がりを示すことから、 数学的美
の典型と考えられています。さらに、これは πが 超越数で ある ことの 証明に直接用いられており、これは 円を二乗する ことが不可能であることを意味します 。 [ 47 ] [ 48 ] さらに、この恒等式は対数の 主枝 において、 [ 46 ]
ln
(
−
1
)
=
i
π
.
{\displaystyle \ln(-1)=i\pi .}
さらに、指数法則を用いると、
(
cos
x
+
i
sin
x
)
n
=
(
e
i
x
)
n
=
e
i
n
x
=
cos
n
x
+
i
sin
n
x
{\displaystyle (\cos x+i\sin x)^{n}=\left(e^{ix}\right)^{n}=e^{inx}=\cos nx+i\sin nx}
任意の整数 n に対して、これは ド・モアブルの公式 である。 [ 49 ]
指数関数 を用いたとの 各 表現は テイラー級数から次のように演繹できる。 [ 46 ]
sin
(
x
)
{\displaystyle \sin(x)}
cos
(
x
)
{\displaystyle \cos(x)}
cos
x
=
e
i
x
+
e
−
i
x
2
,
sin
x
=
e
i
x
−
e
−
i
x
2
i
.
{\displaystyle \cos x={\frac {e^{ix}+e^{-ix}}{2}},\qquad \sin x={\frac {e^{ix}-e^{-ix}}{2i}}.}
この表現
は と略されることもある 。 [ 49 ]
cos
x
+
i
sin
x
{\textstyle \cos x+i\sin x}
c
i
s
(
x
)
{\displaystyle \mathrm {cis} (x)}
定数は、 確率論 および エルゴード理論 における エントロピー 理論で重要な役割を果たしている 。 [ 50 ] 基本的な考え方は、 確率空間 を有限個の 測定可能な集合 ,に分割することを考えることである 。そのエントロピーは、ランダムサンプル(または「実験」)を実行することによって確率分布に関して得られる期待情報である。分割のエントロピーは である。
したがって、
関数 は 根本的に重要であり、分割の特定の要素 によって寄与されるエントロピーの量を表す 。この関数は のときに最大化される 。これが具体的に意味するのは、特定のイベントのエントロピー寄与が のときに最大化されるということであり 、可能性が高すぎるかまれすぎる結果が全体のエントロピーに寄与する度合いは小さくなる。
e
{\displaystyle e}
ξ
=
(
A
1
,
⋯
,
A
k
)
{\displaystyle \xi =(A_{1},\cdots ,A_{k})}
H
(
ξ
)
=
−
∑
i
=
1
k
p
(
A
i
)
ln
p
(
A
i
)
.
{\displaystyle H(\xi )=-\sum _{i=1}^{k}p(A_{i})\ln p(A_{i}).}
f
(
x
)
=
−
x
ln
x
{\displaystyle f(x)=-x\ln x}
x
=
p
(
A
i
)
{\displaystyle x=p(A_{i})}
x
=
1
/
e
{\displaystyle x=1/e}
A
i
{\displaystyle A_{i}}
p
(
A
i
)
=
1
/
e
{\displaystyle p(A_{i})=1/e}
数 eは、 無限級数 、 無限積 、 連分数 、 数列の極限 など、様々な方法で表すことができます。 上記の極限と級数に加えて、 単純な連分数もあります。
e
=
[
2
;
1
,
2
,
1
,
1
,
4
,
1
,
1
,
6
,
1
,
.
.
.
,
1
,
2
n
,
1
,
.
.
.
]
,
{\displaystyle e=[2;1,2,1,1,4,1,1,6,1,...,1,2n,1,...],}
[ 51 ] [ 52 ]
書き出すと次のようになります
e
=
2
+
1
1
+
1
2
+
1
1
+
1
1
+
1
4
+
1
1
+
1
1
+
⋱
.
{\displaystyle e=2+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{4+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+\ddots }}}}}}}}}}}}}}.}
次の無限積は e と評価される: [ 26 ]
e
=
2
1
(
4
3
)
1
/
2
(
6
⋅
8
5
⋅
7
)
1
/
4
(
10
⋅
12
⋅
14
⋅
16
9
⋅
11
⋅
13
⋅
15
)
1
/
8
⋯
.
{\displaystyle e={\frac {2}{1}}\left({\frac {4}{3}}\right)^{1/2}\left({\frac {6\cdot 8}{5\cdot 7}}\right)^{1/4}\left({\frac {10\cdot 12\cdot 14\cdot 16}{9\cdot 11\cdot 13\cdot 15}}\right)^{1/8}\cdots .}
e の他の多くの級数、数列、連分数、無限積の表現が 証明されています。
e の表現に関する正確な解析的表現に加えて、 e を 推定するための確率的手法も存在します。そのようなアプローチの一つは、 [0, 1]の 一様分布 から得られる 独立確率変数の無限列 X 1 , X 2 ... から始まり、最初の n 個の 観測値の合計が 1 を超える最小の数 nを V とします。
V
=
min
{
n
∣
X
1
+
X
2
+
⋯
+
X
n
>
1
}
.
{\displaystyle V=\min \left\{n\mid X_{1}+X_{2}+\cdots +X_{n}>1\right\}.}
このとき V の 期待値は e : E( V )= e となる 。 [ 53 ] [ 54 ]
コンピュータの導入以来、 e の既知の桁数は大幅に増加している。これはコンピュータの性能向上とアルゴリズムの改良によるものである。 [ 55 ] [ 56 ]
2010年頃から、現代の高速 デスクトップコンピュータ の普及により、アマチュアでも許容範囲内で 数兆桁の eを計算することが可能になりました。2023年12月24日、ジョーダン・ラノウスは e を35,000,000,000,000桁という記録的な計算を行いました。 [ 64 ]
e の桁を計算する一つの方法は、 次の数列を使うことである [ 65 ]
e
=
∑
k
=
0
∞
1
k
!
.
{\displaystyle e=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{k!}}.}
より高速な方法は、2つの再帰関数 とを使用する 。これらの関数は次のように定義される。
p
(
a
,
b
)
{\displaystyle p(a,b)}
q
(
a
,
b
)
{\displaystyle q(a,b)}
(
p
(
a
,
b
)
q
(
a
,
b
)
)
=
{
(
1
b
)
,
if
b
=
a
+
1
,
(
p
(
a
,
m
)
q
(
m
,
b
)
+
p
(
m
,
b
)
q
(
a
,
m
)
q
(
m
,
b
)
)
,
otherwise, where
m
=
⌊
(
a
+
b
)
/
2
⌋
.
{\displaystyle {\binom {p(a,b)}{q(a,b)}}={\begin{cases}{\binom {1}{b}},&{\text{if }}b=a+1{\text{,}}\\{\binom {p(a,m)q(m,b)+p(m,b)}{q(a,m)q(m,b)}},&{\text{otherwise, where }}m=\lfloor (a+b)/2\rfloor .\end{cases}}}
この式 は、上記の級数の n 番目の部分和を生成します。この手法では、 バイナリ分割を用いて eを 計算するため、 1桁の算術演算が少なくなり、 ビット計算量 も削減されます。これを 高速フーリエ変換に 基づく整数乗算法と組み合わせることで、桁計算が非常に高速になります。 [ 65 ]
1
+
p
(
0
,
n
)
q
(
0
,
n
)
{\displaystyle 1+{\frac {p(0,n)}{q(0,n)}}}
インターネット文化 の出現の間、個人や組織は e という数字に敬意を表することがありました 。
初期の例として、 コンピュータ科学者の ドナルド・クヌースは、彼のプログラム Metafont のバージョン番号を e に近づけました 。バージョンは2、2.7、2.71、2.718、…となります。 [ 66 ]
別の例として、 2004年の Google の IPO 申請では、同社は典型的な端数金額ではなく、2,718,281,828 米ドル( 10 億ドルを一番近いドルに 切り上げた もの)を調達する意向を発表しました 。 [ 67 ]
Googleはまた、 シリコンバレー
の中心部 、そして後に マサチューセッツ州 ケンブリッジ、 ワシントン州 シアトル、 テキサス州オースティンにも看板 [ 68 ] を設置しました。看板には「{ e の連続する数字の最初の10桁の素数}.com」と書かれていました。e の 最初の10桁の素数 は7427466391で、これは99桁目から始まります。 [ 69 ] この問題を解き、宣伝されていた(現在は閉鎖されている)ウェブサイトを訪問したところ、さらに難しい問題に遭遇した。それは、7182818284、8182845904、8747135266、7427466391 という数列の 5 番目の項を探すというものだった。この数列は、 e の連続する桁に見られる 10 桁の数字で構成され、その桁の合計が 49 になる数列であることが判明した。数列の 5 番目の項は 5966290435 で、127 桁目から始まる。 [ 70 ] この 2 番目の問題を解くと、最終的にGoogle Labs の ウェブページ
にたどり着き、 訪問者は履歴書を提出するよう求められた。 [ 71 ]
公式Python 2 インタープリタの最新リリースの バージョン番号は2.7.18で、 e を参照しています。 [ 72 ]
科学計算 では 、定数は しばしばハードコードされます。例えば、 Pythonの 標準ライブラリには 、 の浮動小数点近似値である が含まれています。しかし、 が整数の 場合でも、 を使っ て計算するよりも、Python などの組み込み指数関数を使用する方が 一般的に 数値的に安定し 、効率的です。 [ 73 ]
e
{\displaystyle e}
math.e = 2.718281828459045
e
{\displaystyle e}
math.exp(x)
e
x
{\displaystyle e^{x}}
pow(e, x)
x
{\displaystyle x}
指数関数の実装のほとんどは、範囲の縮小、ルックアップテーブル、および多項式または有理数近似( パデ近似 やテイラー展開など)を使用して、幅広い入力に対して正確な結果を実現します。 [ 74 ] 対照的に、のような汎用指数関数は、対数や乗算などの追加の中間計算を伴う場合があり、特に 浮動小数点形式で使用される pow場合は、丸め誤差が蓄積される可能性があります。 [ 75 ]
e
{\displaystyle e}
非常に高い精度では、楕円関数と AGM および ニュートン法 の高速収束 に基づく方法 を使用して指数関数を計算することができます。 [ 76 ] の桁展開は 次のように得られます 。これは、指数関数を計算する他の既知の方法よりも漸近的に高速ですが、オーバーヘッドコストが高いため実用的ではありません。 [ 74 ]
e
{\displaystyle e}
exp
(
1
)
.
{\displaystyle \exp(1).}
y-cruncher などのツールは 、 のような個々の定数の多桁の計算に最適化されており 、 のテイラー級数を使用する 。これは、特に様々な最適化と組み合わせた場合、非常に速く収束するからである。特に、 の 級数を計算する際には 、 の級数ではなく、 の級数を計算する際に 二分 法が適用される。これは、前者の級数の被加数が単純な有理数であるためである。これにより、 の桁を計算する際の計算量は にまで低減され 、漸近的にはAGM法と同じになるが、実際にははるかに安価になる。 [ 77 ] [ 78 ]
e
{\displaystyle e}
e
{\displaystyle e}
e
{\displaystyle e}
exp
(
x
)
{\displaystyle \exp(x)}
n
{\displaystyle n}
e
{\displaystyle e}
O
(
n
log
2
n
)
{\displaystyle O(n\log ^{2}n)}
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d
c
c
=
d
y
d
s
r
d
x
{\displaystyle {\frac {dc}{c}}={\frac {dyds}{rdx}}}
c
=
e
∫
d
y
d
s
r
d
x
{\displaystyle c=e^{\int {\frac {dyds}{rdx}}}}
(したがって、 [つまり、 c 、速度] は または 。ここで、 e は 双曲線 [つまり、自然] 対数が 1 である数を示します。)
d
c
c
=
d
y
d
s
r
d
x
{\displaystyle {\frac {dc}{c}}={\frac {dyds}{rdx}}}
c
=
e
∫
d
y
d
s
r
d
x
{\displaystyle c=e^{\int {\frac {dyds}{rdx}}}}
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exp
(
x
)
{\displaystyle \exp(x)}
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