y=exxy = e^x - x

関数 y=exxy = e^x - x のグラフ

y=exxy = e^x - x は、指数関数から一次関数を引いた形です。この関数の最小値がちょうど 11 であることが、指数関数をめぐるもっとも基本的な不等式 exx+1e^x \geq x + 1 そのものになっています。

定義域と増減

定義域はすべての実数です。導関数は次のようになります。

y=ex1y' = e^x - 1

ex=1e^x = 1 すなわち x=0x = 000 になります。x<0x < 0 では ex<1e^x < 1 より負、x>0x > 0 では正ですから、x=0x = 0 で極小かつ最小となり、値は e00=1e^{0} - 0 = 1 です。

値域と基本不等式

最小値が 11 なので値域は y1y \geq 1 です。これを書き直すと、すべての実数 xx について次が成り立ちます。

exx+1e^{x} \geq x + 1

等号は x=0x = 0 のときに限ります。直線 y=x+1y = x + 1 は曲線 y=exy = e^{x}x=0x = 0 における接線ですから、この不等式は、下に凸な曲線がその接線の上側にあることの一例です。y=exxy = e^x - x のグラフは、その 22 つの縦の差をとったものだと見ることもできます。

凹凸

二階導関数は y=exy'' = e^{x} でつねに正ですから、全域で下に凸であり変曲点はありません。この凸性こそが、上の接線不等式が成り立つ理由です。

漸近線

xx \to -\infty では ex0e^{x} \to 0 なので yyx-x に近づきます。実際 y(x)=ex0y - (-x) = e^{x} \to 0 ですから、直線 y=xy = -x が斜め漸近線です。いっぽう x+x \to +\infty では exe^{x}xx を圧倒して発散し、漸近線はありません。左では直線に貼りつき、右では指数的に跳ね上がるという、左右で非対称な形になります。

方程式の解の個数

y1>0y \geq 1 > 0 なので xx 切片はなく、方程式 ex=xe^{x} = x は実数解をもちません。より一般に ex=x+ce^{x} = x + c の解の個数は、水平線 y=cy = c とこのグラフの交点の個数として読めます。

cc の範囲解の個数
c<1c < 1なし
c=1c = 111 つ(x=0x = 0
c>1c > 122

導かれる不等式

xx のところに lnt\ln t を代入すると、対数についての不等式が出ます。

lntt1(t>0)\ln t \leq t - 1 \quad (t > 0)

対数を一次式で上から押さえるこの形は、相加平均と相乗平均の関係や、情報理論のギブスの不等式など、多くの証明の出発点になります。exx+1e^{x} \geq x + 1 は、指数関数について最初に覚えるべき不等式だといえます。

通る点

(0,1)(0, 1)(1,e1)(1,1.718)(1, e - 1) \approx (1, 1.718)(1,e1+1)(1,1.368)(-1, e^{-1} + 1) \approx (-1, 1.368)(2,e22)(2,5.389)(2, e^{2} - 2) \approx (2, 5.389) などを通ります。