関数 y=xlnx のグラフ
y=xlnx は、一次関数と対数関数の積です。x→0+ では lnx が −∞ に発散する一方で x は 0 に近づくため、2 つの効果のどちらが勝つかが最初の焦点になります。答えは x の側で、値は 0 に収束します。
定義域と値域
対数の定義から定義域は x>0 です。あとで見るとおり最小値は −e1 で、x→∞ では発散しますから、値域は y≥−e1 になります。
原点での振る舞い
x→0+ での極限は、ロピタルの定理で求まります。
x→0+limxlnx=x→0+lim1/xlnx=x→0+lim−1/x21/x=x→0+lim(−x)=0 ∞−∞ の不定形を書き換えて解きました。グラフは原点へ吸い込まれるように入りますが、x=0 は定義域に含まれないので端は開いています。導関数 y′=lnx+1 は −∞ に発散するので、そこでの接線は垂直です。
増減と極値
y′=lnx+1 が 0 になるのは lnx=−1、すなわち x=e1 のときです。その手前では負、その先では正なので、x=e1 で極小かつ最小となり、値は −e1 です。最小点 (e1,−e1)≈(0.368,−0.368) は、2 つの座標の絶対値が等しいという覚えやすい形をしています。
凹凸と切片
二階導関数は y′′=x1 で、定義域上つねに正ですから全体が下に凸で、変曲点はありません。xlnx=0 となるのは lnx=0 のときだけなので、x 切片は (1,0) の 1 点です。
| 範囲 | lnx | y |
|---|
| 0<x<1 | 負 | 負 |
| x=1 | 0 | 0 |
| x>1 | 正 | 正 |
積分
部分積分から不定積分が得られます。
∫xlnxdx=2x2lnx−4x2+C これを使うと ∫01xlnxdx=−41 となり、x→0 で被積分関数が 0 に収まるおかげで広義積分が有限の値をとります。
他の関数との関係
xx=exlnx ですから、この関数は y=xx の指数部分にあたります。xlnx が x=e1 で最小値 −e1 をとることが、そのまま xx が同じ位置で最小値 e−1/e≈0.692 をとることに対応します。
応用
情報理論では、確率 p の事象がエントロピーに与える寄与が −plnp で表されます。符号を反転したこのグラフの形が、確率が 0 でも 1 でも寄与が消え、途中の p=e1 で最大になることを示しています。計算量の分野では、比較にもとづく整列の下界が nlogn であることが知られており、この関数はその増え方そのものです。