00:00
00:00
KURSER  / 
Högskoleprovet Vår 2019
/  Provpass 1 – Verbal del (HPVAR2019P1)

Talet e och den naturliga logaritmen ln

Författare:Simon Rybrand
Så hjälper Eddler dig:
Videor som är lätta att förstå Övningar & prov med förklaringar
Allt du behöver för att klara av nationella provet
Så hjälper Eddler dig:
Videor som är lätta att förstå Övningar & prov med förklaringar
Allt du behöver för att klara av nationella provet

I den här lektionen lär du dig att förstå talet e ≈ 2,72 och den naturliga logaritmen ln. Du lär dig även att lösa exponentialekvationer med den naturliga logaritmen.

Talet e

Talet eee är ett irrationellt tal  och har därmed oändligt antalet decimaler. Närmevärdet med sju decimaler är

 e2,7182818e\approx2,7182818e2,7182818 

Talet eee definieras som gränsvärdet

limh0 \lim\limits_{h \to 0}  (1+h)1h\left(1+h\right)^{\frac{1}{h}}(1+h)1h  

som kan skrivas om till 

limn \lim\limits_{n \to ∞}  (1+1n)n\left(1+\frac{1}{n}\right)^n(1+1n )n   genom att sätta  1h=\frac{1}{h}=1h = nnn 

Talet eee har egenskaper som gör det enklare att derivera exponentialfunktioner. Där av det stora intresset för talet!

Varför är e intressant?

När man under 170017001700 -talet intresserade sig för derivatan för olika funktioner, växte intresset för om det fanns någon funktion som var identisk med sin derivata fram. Efter studier visade det sig att funktionen  y2,7182818xy\approx2,7182818^xy2,7182818x var en sådan funktion. Denna bas blev då så intressant att den tilldelas namnet Eulers tal, eller Nepers tal, och fick en egen beteckning, eee.

Talet e - Eulers tal

Talet eee kan liknas vid exempelvis talet π\piπ. Precis som π\piπ representerar den konstant som motsvarar förhållande mellan omkretsen och diametern i en cirkel, kan talet eee beskrivas som den konstant som ger att då den utgör basen till en exponentialfunktion  f(x)=exf\left(x\right)=e^xƒ (x)=ex uppfyller att derivatan  f(x)f'\left(x\right)ƒ ´(x)  är identisk med ursprungsfunktionen. Alltså uppfyller likheten  f=ff=f'ƒ =ƒ ´ då  f(x)=exf\left(x\right)=e^xƒ (x)=ex.

Härledning av talet e

Med hjälp av derivatans definition kan vi teckna derivatan för exponentialfunktionen  f(x)=axf\left(x\right)=a^xƒ (x)=ax  som

 f(x)=f'\left(x\right)=ƒ ´(x)= limh0 \lim\limits_{h \to 0} f(x+h)f(x)h=\frac{f(x+h)-f(x)}{h}=ƒ (x+h)ƒ (x)h =limh0 \lim\limits_{h \to 0} ax+haxh\frac{a^{x+h}-a^x}{h}ax+haxh  

Genom att nu förenkla uttrycket kan vi skriva  

 f(x)=f'\left(x\right)=ƒ ´(x)= limh0 \lim\limits_{h \to 0} ax+haxh=\frac{a^{x+h}-a^x}{h}=ax+haxh =  limh0 \lim\limits_{h \to 0} axahaxh=\frac{a^x\cdot a^h-a^x}{h}=ax·ahaxh =   limh0 \lim\limits_{h \to 0}  axa^x\cdotax· ah1h\frac{a^h-1}{h}ah1h  

Eftersom att den första faktorn, axa^xax, inte påverkas av hhh, kan vi skriva  f(x)=f'\left(x\right)=ƒ ´(x)= axa^x\cdotax· kkk

där  k=k=k= limh0 \lim\limits_{h \to 0} ah1h\frac{a^h-1}{h}ah1h   

Genom att göra numeriska beräkningar, alltså sätta in mindre och mindre värden för hhh i kvoten, kan vi bestämma att

k= limh0 \lim\limits_{h \to 0} 1h1h\frac{1^h-1}{h}1h1h  =0=0=0    vilket ger derivatan  f(x)=f'\left(x\right)=ƒ ´(x)= 1x0=01^x\cdot0=01x·0=0

k= limh0 \lim\limits_{h \to 0} 2h1h\frac{2^h-1}{h}2h1h  0,69\approx0,690,69   vilket ger derivatan f(x)f'\left(x\right)\approxƒ ´(x) 2x0,692^x\cdot0,692x·0,69 

k= limh0 \lim\limits_{h \to 0} 3h1h\frac{3^h-1}{h}3h1h  1,10\approx1,101,10     vilket ger derivatan f(x)f'\left(x\right)\approxƒ ´(x) 3x1,103^x\cdot1,103x·1,10 

k= limh0 \lim\limits_{h \to 0} 4h1h\frac{4^h-1}{h}4h1h  1,39\approx1,391,39     vilket ger derivatan f(x)f'\left(x\right)\approxƒ ´(x) 4x1,394^x\cdot1,394x·1,39 

Vi söker nu den basen aaa som ger att konstanten k=1k=1k=1. Alltså det värde på k=k=k=limh0 \lim\limits_{h \to 0} ah1h=\frac{a^h-1}{h}=ah1h =111.

Genom att studera beräkningarna ovan kan vi se att den basen måste finnas i intervallet 2<2<2< a<3a<3a<3, eftersom att k0,69k\approx0,69k0,69  när  a=2a=2a=2 och  k1,10k\approx1,10k1,10 när  a=3a=3a=3.

Genom upprepade beräkningar kan man finna att det värde på basen som ger att k=k=k= limh0 \lim\limits_{h \to 0} ah1h=\frac{a^h-1}{h}=ah1h =111  är 2,718 281 828 4592,718\text{ }281\text{ }828\text{ }459…2,718 281 828 459… 

Varför är nu detta intressant?

Jo, för att när k=k=k= limh0 \lim\limits_{h \to 0} ah1h=1\frac{a^h-1}{h}=1ah1h =1 får vi att derivatan för basen  f(x)=f’\left(x\right)=ƒ (x)=axa^x\cdotax· k=ax1=axk=a^x\cdot1=a^xk=ax·1=ax vilket i sin tur innebär att för denna bas gäller att  f(x)=f(x)f\left(x\right)=f'\left(x\right)ƒ (x)=ƒ ´(x).

Funktionen och dess derivata är alltså två identiska funktioner. Det gör att du kan bestämma både derivatan och funktionsvärdet på samma gång.

Denna bas,  a=2,718 281 828 459a=2,718\text{ }281\text{ }828\text{ }459…a=2,718 281 828 459… har ett eget namn. Eulers tal, utifrån 1700-talsmatematikern Leonard Euler som gav talet sin beteckning eee. Vissa benämner talet för Nepers tal och syftar då på John Napier.

Eftersom att limh0 \lim\limits_{h \to 0}   eh1h=\frac{e^h-1}{h}=eh1h =111   kan vi för små värde på hhh göra omskrivningen 

 eh1he^h-1\approx heh1h 

 eh1+he^h\approx1+heh1+h 

 e(1+h)1he\approx\left(1+h\right)^{\frac{1}{h}}e(1+h)1h  

Sätter vi  1h=n\frac{1}{h}=n1h =n kan vi nu skriva att

 e=e=e= limn \lim\limits_{n \to ∞}  (1+1n)n\left(1+\frac{1}{n}\right)^n(1+1n )n 

Den naturliga logaritmen 

När vi lärde oss att lösa exponentialekvationer algebraiskt lärde vi oss tiologaritmen lg\lglg. Med hjälp av logaritmen kan vi skriva om uttrycket så att variabeln hamnar i basen i stället för i exponenten.

I denna kurs introducerar vi en logaritm som kommer bli väldig användbar när vi deriverar exponentialfunktioner. Denna logaritm kallas för den naturliga logaritmen och betecknas med lnlnln.

Logaritmer -förklaring

Den naturliga logaritmen har basen eee ocheeoch  elnx=xe^{\ln x}=xelnx=x gäller för alla x>0x>0x>0. 

Logaritmen med basen eee kan skrivas som  loge\log_eloge . Men eftersom att att den, precis som tiologaritmen, är väldigt användbar har den getts en egen beteckning, nämligen ln\lnln

Den naturliga logaritmen

Talet xxx är det tal som basen eee ska upphöjas till för att svaret ska bli talet bbb.

 ex=be^x=bex=b     ⇒      x=lnbx=\ln bx=lnb 

Denna logaritm kommer till stor användning, när man löser ekvationer eller deriverar exponentiella uttryck med basen eee.

Exponentialekvationer med basen e

Nedan följer exempel på hur den naturliga logaritmen kan användas vid arbetet med exponentialekvationer med basen  eee .

Exempel 1

Lös ekvationen  10ex=410e^x=410ex=4.

Ange ett exakt svar.

Lösning

 10ex=410e^x=410ex=4      Dividera båda leden med  101010 

 ex=0,4e^x=0,4ex=0,4        Logaritmera båda sidor med dem naturliga logaritmen

 lnex=ln0,4\ln e^x=\ln0,4lnex=ln0,4      Skriv om med logaritmlagen ln x p=pln x\text{ln }x\text{ }^p=p\cdot\text{ln }xln x p=p·ln x 

 xlne=ln0,4x\cdot\ln e=\ln0,4x·lne=ln0,4            Använd kunskapen att  lne=1\ln e=1lne=1 

 x=ln0,4x=\ln0,4x=ln0,4 

När vi svarar exakt låter vi  ln\lnln vara kvar i svaret eftersom att ln0,4=0,916\ln0,4=-0,916…ln0,4=0,916… med en mängd decimaler, vilket inte är ett exakt värde. 

Vi skulle lika gärna kunna lösa uppgiften med tio-logaritmen. Men då missar vi tjusningen med att enkelt i huvudet kunna beräkna  lne=1\ln e=1lne=1

Exempel 2

Skriv talet 777 som en potens med basen eee.

Lösning

Eftersom att ln\lnln mycket omatematiskt sagt påverkar talet 777 på det vis att det ”neutraliserar” basen eee får vi att

 7=eln77=e^{\ln7}7=eln7 

Vi undrar ju: Vilket tal xxx är det tal som basen eee ska upphöjas till för att svaret ska bli talet 777 ?

 ex=7e^x=7ex=7   ⇒      x=ln7x=\ln7x=ln7 

Svaret blir: Talet ln7\ln7ln7 är det tal som basen eee ska upphöjas till för att svaret ska bli talet 777 .

 eln7=7e^{\ln7}=7eln7=7 

Omatematiskt kan vi tänka som att talet eee och naturliga logaritmen ln\lnln  ”påverkar/motverkar/tar ut varandra” så att

  lnex=x\ln e^x=xlnex=x   – talet i exponenten ”faller ner” på marknivå 

 x=elnxx=e^{\ln x}x=elnx   –  puttar upp xxx:et i exponenten

Logaritmlagar

I Ma2c presenteras ett antal lagar för logaritmer. Vi repeterar dem här då de även gäller för den naturliga logaritmen  ln\lnln

Logaritmlagar

 lg A+lg B=lg AB\text{lg }A+\text{lg }B=\text{lg }A\cdot Blg A+lg B=lg A·B

 lg Alg B=lg AB\text{lg }A-\text{lg }B=\text{lg }\frac{A}{B}lg Alg B=lg AB 

 lg x p=plg x\text{lg }x\text{ }^p=p\cdot\text{lg }xlg x p=p·lg x

Lagarna kommer från potensreglerna och kan bevisas med hjälp av dem. Återvänt till lektionen om Logaritmlagar för att se bevisen.

Exempel i videon

  • Förklaring av innebörden av ln2 ln 2 och lne ln e .
  • Beräkna lne ln e .
  • Beräkna ln2 ln 2 .
  • Lös ekvationen ex=7 e^x=7 .
  • Lös ekvationen 3ex=9 3 \cdot e^x=9