指数関数 y=e−x のグラフ
y=e−x は自然対数の底 e≈2.718 を用いた減衰型の指数関数で、e−x=ex1=(e1)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>0 で、値が 0 や負になることはありません。点 (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′=−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′′=e−x>0 なので、グラフはつねに下に凸です。x→+∞ では 0 に近づき、x 軸(y=0)が水平漸近線になります。逆に x→−∞ では +∞ に発散します。
一定の割合で減る
x が 1 増えるごとに値が e1 倍(約 0.368 倍)になります。
| x | e−x | 初期値に対する割合 |
|---|
| 0 | 1 | 100% |
| 1 | 0.368 | 約 37% |
| 2 | 0.135 | 約 14% |
| 3 | 0.0498 | 約 5% |
| 5 | 0.00674 | 約 0.67% |
決して 0 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
x が 1 増えるごとに e1 倍になるので、この 1 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 x が ln2≈0.693 増えたときで、これが半減期にあたります。点 (0,1) での接線は傾き y′(0)=−1 の直線 y=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,… での値は公比 e1 の等比数列になっており、e−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=ex を y 軸に関して鏡映(左右反転)した形で、ex が急増するのに対し e−x は急減します。e−x=t とおくと x=−lnt 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 e−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。