y=exy = e^{-x}

指数関数 y=exy = e^{-x} のグラフ

y=exy = e^{-x} は自然対数の底 e2.718e \approx 2.718 を用いた減衰型の指数関数で、ex=1ex=(1e)xe^{-x} = \dfrac{1}{e^x} = \left( \dfrac{1}{e} \right)^x とも書けます。

定義域と値域

定義域はすべての実数、値域は y>0y > 0 で、値が 00 や負になることはありません。点 (0,1)(0, 1) を必ず通ります。

増減

導関数は次のようになります。

y=exy' = -e^{-x}

つねに負なので、全区間で単調に減少します。二階導関数は y=ex>0y'' = e^{-x} > 0 なので、グラフはつねに下に凸です。x+x \to +\infty では 00 に近づき、xx 軸(y=0y = 0)が水平漸近線になります。逆に xx \to -\infty では ++\infty に発散します。

一定の割合で減る

xx11 増えるごとに値が 1e\dfrac{1}{e} 倍(約 0.3680.368 倍)になります。

xxexe^{-x}初期値に対する割合
0011100%100\%
110.3680.36837%37\%
220.1350.13514%14\%
330.04980.04985%5\%
550.006740.006740.67%0.67\%

決して 00 には達しないものの、急速に無視できる大きさになります。

時定数と半減期

xx11 増えるごとに 1e\dfrac{1}{e} 倍になるので、この 11 単位分の長さを時定数と呼びます。ちょうど半分になるのは xxln20.693\ln 2 \approx 0.693 増えたときで、これが半減期にあたります。点 (0,1)(0, 1) での接線は傾き y(0)=1y'(0) = -1 の直線 y=1xy = 1 - x で、グラフは原点付近で右下がりに交わります。

等比数列の連続版

x=0,1,2,3,x = 0, 1, 2, 3, \ldots での値は公比 1e\dfrac{1}{e} の等比数列になっており、exe^{-x} は等比数列をなめらかにつないだ連続版とも見なせます。

他の関数との関係

y=exy = e^xyy 軸に関して鏡映(左右反転)した形で、exe^x が急増するのに対し exe^{-x} は急減します。ex=te^{-x} = t とおくと x=lntx = -\ln t で、対数関数とも表裏の関係にあります。

応用

今ある量に比例して減っていく現象は、すべて ekxe^{-kx} の形で表されます。

  • 放射性物質の崩壊
  • 熱いものが冷めていくニュートンの冷却法則
  • コンデンサーの放電
  • 薬が体内から抜けていく過程

確率論の指数分布の土台にもなっています。