Как решать уравнения если есть е

Число е в математике и его применение с примерами решения

Возникновение числа е:

в котором n — натуральное число.

Изучение этого выражения необходимо для решения очень многих крайне важных задач (см., например, следующий параграф и главу «Производная, дифференциал, интеграл и их простейшие применения»).

Если мы станем натуральное число n неограниченно увеличивать, то величина выражения

станет величиной переменной. Эта переменная не стремится к единице, как это может показаться на первый взгляд. Действительно, мы сейчас убедимся в том, что при возрастании натурального числа n значение выражения

будет монотонно* возрастать, начиная со значения, равного двум. Например,

• Последовательность называется возрастающей, если неубывающей, если убывающей, если невозрастающей, если Все такие последовательности называются монотонными.

Чтобы доказать, что переменная

монотонно возрастает при возрастании n, применим формулу бинома Ньютона:

Перепишем эту формулу в следующем виде:

Все слагаемые в правой части этого равенства положительны.

При возрастании числа n правая часть этого равенства будет монотонно возрастать, так как будет возрастать число слагаемых и каждое слагаемое, начиная со второго.

Значит, доказано, что переменная будет монотонно возрастать при возрастании числа n.

Теперь докажем, что, несмотря на то что переменная монотонно возрастает, тем не менее она будет оставаться всегда меньшей, чем число 2,75.

Из формулы (В) видно, что

Тем более будет верным неравенство

К сумме, написанной в квадратных скобках, применим формулу суммы членов конечной геометрической прогрессии. Тогда получим:

и тем более будет верным неравенство

Кроме этого, из формулы (А) видно, что всегда

Теперь перейдем к самому важному выводу.

Мы доказали, что переменная монотонно возрастает при возрастании n и при этом всегда остается меньше, чем 2,75. По признаку Вейерштрасса (см. стр. 408) эта переменная имеет предел. Этим пределом будет определенное число, большее двух и не большее 2,75. Это число является иррациональным и обозначается, как это принято во всей математической литературе, буквой е. Значит, Иррациональность числа е доказывается в курсах высшей математики.

Число е выражается бесконечной непериодической десятичной дробью. Первые цифры этой дроби идут в таком порядке:

Напомним, что логарифмы по основанию е называются натуральными и обозначаются символом так что

Применения числа е

Исходя из полученного равенства

можно доказать, что

где — любая бесконечно малая величина, могущая принимать и положительные и отрицательные значения.

Последнее равенство можно сформулировать так:

Степень, основанием которой служит единица плюс бесконечно малое слагаемое 7, а показателем величина, обратная этому слагаемому, стремится к числу е, как к своему, пределу (доказательство опускается).

Обратим внимание на то, что основание этой степени стремится к единице, но, несмотря на это, сама степень не стремится к единице.

Рассмотрим пределы степеней, в которых основанием служит единица плюс бесконечно малое слагаемое, а показатель есть величина, обратная этому слагаемому.

Примеры:

1. Найти

Решение:

Полагая получим При Следовательно,

2. Найти

Полагая получим Следовательно,

3. Найти

Полагая получим Следовательно,

4. Найти

Представим в виде суммы, у которой первое слагаемое было бы единицей, а второе — величиной бесконечно малой. Это легко сделать.

Здесь первое слагаемое есть единица, а второе, стоящее в скобках, есть величина бесконечно малая при

Таким образом, получим:

В квадратных скобках мы имеем степень, основанием которой является единица плюс бесконечно малое слагаемое, а показатель степени есть величина, обратная этому бесконечно малому слагаемому. Предел такой степени, как мы знаем, равен числу е.

Теперь найдем предел показателя степени, в который возводится выражение, стоящее в квадратных скобках:

Задачи:

1. Пусть банк принял вклад в a руб. и обязался присоединять процентные деньги к вкладу через каждую часть года из расчета р годовых процентов. Спрашивается, в какую сумму обратится первоначальный вклад через t лет?

Одну n-ю часть года назовем установленным промежутком времени. Тогда один год будет содержать n, a t лет nt таких промежутков.

К концу первого промежутка времени вклад обратится в

Действительно, за первый промежуток времени процентные деньги, подлежащие присоединению к вкладу, будут равны Следовательно, вклад окажется равным т. е.

Обратим внимание на то, что для получения возросшей суммы за один промежуток времени достаточно вклад, имевшийся в начале промежутка, умножить на Этот множитель называется множителем процентного наращения за промежуток времени, равный части года.

Значит, чтобы получить возросшую сумму к концу второго промежутка времени, достаточно вклад, образовавшийся к началу второго промежутка времени, умножить на множитель процентного наращения и т. д.

Итак, первоначальный вклад в а руб. обратится через t лет в

Теперь вообразим, что т. е. что рост вклада происходит, как выражаются, органически. Тогда вклад в а руб. обратится через t лет в сумму А, определяемую равенством

Полагая найдем, что

Итак, для органического роста вклада получилась следующая формула:

Например, при а = 1, р = 5 и f = 100

т. е. один рубль превращается через 100 лет приблизительно в 143 руб., если органический рост происходит по 5 годовых процентов.

2. Лесная делянка содержит в данный момент а куб. м древесины. Сколько окажется на этой делянке древесины через t лет, если органический рост древесины происходит по р годовых процентов.

Oтв. куб. м.

3. Численность населения города увеличивается ежегодно на р% (по отношению к началу года). Через сколько лет численность населения удвоится?

Отв.

Формула Эйлера

Формула Эйлера

В заключение этой главы приведем еще одно важное соотношение, найденное гениальным Эйлером, устанавливающее связь между тригонометрическими функциями и показательной функцией. Было доказано, что

где b — любое действительное число.

Обобщая этот результат, примем по определению, что

где b — любое действительное число, a i — мнимая единица. Теперь вычислим предел правой части последнего равенства.

Комплексное число представим в тригонометрической форме. Как известно (см. стр. 580),

Пользуясь формулой Муавра, найдем, что

Вычислим каждый из пределов, входящих в правую часть последней формулы. Обозначив получим, что и что при будет Следовательно,

Далее, обозначим тогда и при будет Следовательно,

Эта формула и носит название формулы Эйлера.

Следствия из формулы Эйлера

1. Полагая в формуле Эйлера вместо b число 2, получим, что или т. е.установим связь между действительными числами е и и мнимой единицей I.

2. Полагая в формуле Эйлера вместо b число — b, получим, что

3. Пользуясь формулой Эйлера, можно представить любое комплексное число еще в одной новой форме.

Действительно, обозначив модуль комплексного числа х + iy буквой r, а главное значение аргумента буквой получим:

Но по формуле Эйлера

Выражение называется показательной формой комплексного числа.

Справедливой будет и следующая запись:

4. Исходя из формулы Эйлера, мы можем находить тригонометрические функции от комплексного числа.

Действительно, обобщая формулу примем по определению, что

Полагая в последней формуле, например, х = 0 и у = 1, получим:

т. е. получим, что косинус мнимой единицы представляет собой действительное число.

5.Опираясь на формулу Эйлера, можно показать, что логарифм любого действительного или мнимого числа имеет в области комплексных чисел бесконечное множество различных значений. Представим комплексное число х + iy в показательной форме

где k — любое целое число.

Под выражением In r здесь понимается лишь действительное значение логарифма положительного числа r, которое легко вычисляется по таблицам логарифмов.

Примеры:

1. Модуль числа— 1 равен 1, а главное значение аргумента равно . Поэтому

2. Модуль числа 1 есть 1, а главное значение аргумента 0. Поэтому

Под выражением In 1, написанным в левой части последнего равенства, подразумеваются все возможные комплексные значения логарифма единицы.

Под таким же выражением In 1, написанным в правой части, подразумевается лишь одно действительное значение логарифма единицы, т. е. нуль.

Числа е и являются мировыми постоянными (константы природы).

С помощью этих чисел выражаются многие законы, по которым происходят процессы в природе. Числа е и , как мы уже видели, играют необычайно важную роль как в математике, так и в ее разнообразных приложениях.

Дополнение к числу е

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Как решать
показательные уравнения?

Решение уравнений – навык, который необходим каждому нацеленному на успешную сдачу ЕГЭ и ОГЭ школьнику. Это поможет решить задания №5, 13 и 15 из профильного уровня математики.

Одна из их разновидностей – степенные уравнения, которые иногда также называют показательными. Основная отличительная особенность – наличие переменной \(х\) не в основании степени, а в самом показателе. Как это выглядит:

Не бойтесь – это самый общий вид показательных уравнений. Реальные примеры выглядят как-то так:

Внимательно посмотрите на приведенные уравнения. В каждом из них присутствует, так называемая, показательная (степенная) функция. При решении необходимо помнить об основных свойствах степени, а также использовать особые правила, помогающие вычислить значение \(х\). Познакомиться с понятием степени и ее свойствами можно тут и тут.

И вам понадобится умение решать обыкновенные линейные и квадратные уравнения, те, что вы проходили в 7-8 классе. Вот такие:

И так, любое уравнение, в котором вы увидите показательную (степенную) функцию, называется показательным уравнением. Кроме самой показательной функции в уравнении могут быть любые другие математические конструкции – тригонометрические функции, логарифмы, корни, дроби и т.д. Если вы видите степень, значит перед вам показательное уравнение.

Ура! Теперь знаем, как выглядят показательные уравнения, но толку от этого не очень много. Было бы неплохо научиться их решать. Отличная новость – на наш взгляд показательные уравнения одни из самых простых типов уравнений, по сравнению с логарифмическими, тригонометрическими или иррациональными.

Простейшие показательные уравнения

Давайте начнем с самых простых типов уравнений и разберем сразу несколько примеров:

Что такое решить уравнение? Это значит, что нужно найти такое число, которое при подстановке в исходное уравнение вместо \(х\) даст верное равенство. В нашем примере нужно найти такое число, в которое нужно возвести двойку, чтобы получить восемь. Ну это просто:

Значит, если \(х=3\), то мы получим верное равенство, а значит мы решили уравнение.

Решим что-нибудь посложнее.

Такое уравнение выглядит сложнее. Попробуем преобразовать правую часть уравнения:

Мы применили свойство отрицательной степени по формуле:

Теперь наше уравнение будет выглядеть так:

Заметим, что слева и справа у нас стоят показательные функции, и там, и там основания одинаковые и равны \(3\), только вот степени разные – слева степень \((4х-1)\), а справа \((-2)\). Логично предположить, что если степени у такой конструкции будут равны, при условии, что основания одинаковые, то мы получим верное равенство. Так и поступим:

Такое мы решать умеем, ведь это обыкновенное линейное уравнение.

Поздравляю, мы нашли корень нашего показательного уравнения.

Попробуем поступить так, как в предыдущем примере – преобразуем левую и правую часть, чтобы слева и справа была показательная функция с одинаковым основанием. Как это сделать? Обращаем внимание, что \(125=5*5*5=5^3\), а \(25=5*5=5^2\), подставим:

Воспользуемся одним из свойств степеней \((a^n)^m=a^\):

И опять мы получили две показательные функции, у которых одинаковые основания и для того, чтобы равенство выполнялось, необходимо приравнять из степени:

И еще один пример:

Те, кто хорошо знает свойства степеней, знают, что показательная функция не может быть отрицательной. Действительно, попробуйте возводить \(2\) в различную степень, вы никогда не сможете получить отрицательное число.

Внимание! Показательная функция не может быть отрицательной, поэтому, когда вы встречаете примеры на подобии примера 4, то знайте, что такого быть не может. Здесь корней нет, потому что показательная функция всегда положительна.

Теперь давайте разработаем общий метод решения показательных уравнений. И научимся решать более сложные примеры.

Общий метод решения показательных уравнений

Пусть у нас есть вот такой пример:

Где \(a,b\) какие-то положительные числа. (\(a>0, \; b>0\).

Согласно разобранным выше примерам, логично предположить, что для того, чтобы решить данное уравнение, нужно его преобразовать к виду, где слева и справа стоят показательные функции с одинаковым основанием. Так и поступим.

Слева у нас уже стоит \(a^x\), с этим ничего делать не будем, а вот справа у нас стоит загадочное число \(b\), которое нужно попытаться представить в виде \(b=a^m\). Тогда уравнение принимает вид:

Раз основания одинаковые, то мы можем просто приравнять степени:

Вот и весь алгоритм решения. Просто нужно преобразовать исходное уравнение таким образом, чтобы слева и справа стояли показательные функции с одинаковыми основаниями, тогда приравниваем степени и вуаля – сложное показательное уравнение решено. Осталось только разобраться, как так преобразовывать. Опять разберем на примерах:

Замечаем, что \(16=2*2*2*2=2^4\) это степень двойки:

Основания одинаковые, значит можно приравнять степени:

$$x=4.$$
Пример 6 $$5^<-x>=125 \Rightarrow 5^<-x>=5*5*5 \Rightarrow 5^<-x>=5^3 \Rightarrow –x=3 \Rightarrow x=-3.$$
Пример 7 $$9^<4x>=81 \Rightarrow (3*3)^<4x>=3*3*3*3 \Rightarrow(3^2)^<4x>=3^4 \Rightarrow 3^<8x>=3^4 \Rightarrow 8x=4 \Rightarrow x=\frac<1><2>.$$

Здесь мы заметили, что \(9=3^2\) и \(81=3^4\) являются степенями \(3\).

Все здорово, но проблема в том, что такая схема решения показательных уравнений работает не всегда. Что делать, если привести к одинаковому основанию не получается. Например:

\(3\) и \(2\) привести к одинаковому основанию затруднительно. Но тем не менее мы должны это сделать. Воспользуемся следующей схемой преобразований: пусть есть некоторое положительное число \(b>0\), тогда его можно представить в виде степени любого, нужного вам, положительного числа не равного единице \(a>0, \; a \neq 1\):

Эта очень важная формула, рекомендуем ее выучить. Вернемся к нашему примеру и по формуле представим \(2\) в виде \(3\) в какой-то степени, где \(a=3\), а \(b=2\):

Подставим данное преобразование в наш пример:

Получили равенство двух показательных функций с одинаковым основанием, значит можем приравнять их степени:

Так в ответ и запишем. Никакой ошибки здесь нет, дело в том, что такие логарифмы можно посчитать только на калькуляторе, поэтому на ЕГЭ или в контрольной работе вы просто оставляете ответ в таком виде.

Кто забыл, что такое логарифм, можно посмотреть здесь.

Рассмотрим еще несколько аналогичных примеров.

Те, кто хорошо знает свойства логарифмов, могут поиграться с последней формулой и получить ответ в разном виде:

Все эти варианты ответа верные, их можно смело писать в ответ.

И так, мы с вами научились решать любые показательные уравнения вот такого вида: \(a^x=b\), где \(a>0; \; b>0\).

Но это еще далеко не все. Часто вы будете встречать показательные уравнения гораздо более сложного типа. В ЕГЭ по профильной математике это номер 15 из 2й части. Но бояться тут не нужно, все на первый взгляд сложные уравнения при помощи обычно не самых сложных преобразований сводятся к уравнениям типа \(a^x=b\), где \(a>0; \; b>0\). Рассмотрим типы сложных уравнений, которые могут попасться:

Решение показательных уравнений при помощи замены

Самое первое, что вы должны всегда делать, это пытаться привести все имеющиеся показательные функции к одинаковому основанию.

Здесь это сделать легко, замечаем, что \(9=3^2\), тогда \(9^x=(3^2)^x=3^<2x>=(3^x)^2\). Здесь мы воспользовались свойством степеней: \((a^n)^m=a^\). Подставим:

Обратим внимание, что во всем уравнении все \(х\) «входят» в одинаковую функцию — \(3^x\). Сделаем замену \(t=3^x, \; t>0\), так как показательная функция всегда положительна.

Квадратное уравнение, которое решается через дискриминант:

Оба корня больше нуля, значит оба нам подходят. Сделаем обратную замену и уравнение сводится к решению двух простых показательных уравнений:

И второй корень:

И еще один пример на замену:

Воспользуемся нашим правилом, что все нужно приводить к одинаковому основанию – а стоп, тут и так у всех показательных функций основание \(3\). Давайте еще внимательно посмотрим на наш пример, очень похоже на то, что он тоже делается через замену. Но у нас тут нет одинаковых показательных функций, основания то одинаковые, а вот степени отличаются. Но если быть внимательным, то можно заметить, что в первой степени можно разбить свободный член \(3=2+1\) и вынести общий множитель \(2\):

Подставим в исходное уравнение:

Теперь показательные функции одинаковы и можно сделать замену:

Обратная замена, и наше уравнение сводится к простейшему:

И второе значение \(t\):

Тут у нас две показательные функции с основаниями \(7\) и \(3\), и как сделать из них одинаковые основания непонятно. Этот пример решается при помощи деления. Давайте поделим все наша уравнение на \(3^x\):

Здесь нам придется воспользоваться свойствами степеней:

Разберем каждое слагаемое:

Теперь подставим получившееся преобразования в исходное уравнение:

Теперь видно, что в нашем уравнении есть одинаковая функция, которую можно убрать в замену \(t=(\frac<7><3>)^x\):

Сделаем обратную замену:

И последний пример на замену:

Первым делом нужно сделать так, чтобы все показательные функции были с одинаковым основанием и в идеале с одинаковой степенью. Для этого нам понадобятся формулы для степеней:

Разберем каждое слагаемое нашего уравнения:

Все десятичные дроби всегда разумно представить в виде обыкновенных дробей. И будьте внимательны — отрицательная степень не имеет никакого отношения к знаку показательной функции!

И последнее слагаемое со степенью:

Подставим все наши преобразования в исходное уравнение:

Теперь можно сделать замену \(t=2^x\) или можно обойтись без замены, просто приведя подобные слагаемые (вынести общий множитель \(2^x\)):

Особенно стоит подчеркнуть прием, который мы использовали при решении 13-го примера. Всегда старайтесь избавляться от десятичных дробей. Переводите их в обыкновенные дроби.

И другой тип степенных уравнений, где обычно не нужно делать замену, а необходимо отлично знать все свойства степеней, некоторые из них мы уже обсудили выше. Все про свойства степеней можно посмотреть тут

Вот такое уравнение, в котором у нас, во-первых, показательных функции перемножаются, а еще хуже то, что у них у всех разные основания. Катастрофа, а не пример. Но ничего, все не так страшно, как кажется. Внимательно посмотрите на основания: у нас есть в основании \(2\), \(5\) и \(10\). Очевидно, что \(10=2*5\). Воспользуемся этим и подставим в наше уравнение:

Воспользуемся формулой \((a*b)^n=a^n*b^n\):

И перекинем все показательные функции с основанием \(2\) влево, а с основанием \(5\) вправо:

Сокращаем и воспользуемся формулами \(a^n*a^m=a^\) и \(\frac=a^\):

Самая главная идея при решении показательных уравнений – это любыми доступными способами свести все имеющиеся степенные функции к одинаковому основанию. А еще лучше и к одинаковой степени. Вот почему необходимо знать все свойства степеней, без этого решить уравнения будет проблематично.

Как же понять, где какие преобразования использовать? Не бойтесь, это придет с опытом, чем больше примеров решите, тем увереннее будете себя чувствовать на контрольных в школе или на ЕГЭ по профильной математике. Сначала потренируйтесь на простых примерах и постепенно повышайте уровень сложности. Успехов в изучении математики!

Экспонента, е в степени х

Определение

Экспоненту обозначают так , или .

Число e

Основанием степени экспоненты является число e . Это иррациональное число. Оно примерно равно
е ≈ 2,718281828459045.

Число e определяется через предел последовательности. Это, так называемый, второй замечательный предел:
.

Также число e можно представить в виде ряда:
.

График экспоненты

На графике представлена экспонента, е в степени х.
y ( x ) = е х
На графике видно, что экспонента монотонно возрастает.

Формулы

Основные формулы такие же, как и для показательной функции с основанием степени е .

Выражение показательной функции с произвольным основанием степени a через экспоненту:
.

Частные значения

Пусть y ( x ) = e x . Тогда
.

Свойства экспоненты

Экспонента обладает свойствами показательной функции с основанием степени е > 1 .

Область определения, множество значений

Экспонента y ( x ) = e x определена для всех x .
Ее область определения:
– ∞ .
Ее множество значений:
0 .

Экстремумы, возрастание, убывание

Экспонента является монотонно возрастающей функцией, поэтому экстремумов не имеет. Основные ее свойства представлены в таблице.

Обратная функция

Производная экспоненты

Производная е в степени х равна е в степени х:
.
Производная n-го порядка:
.
Вывод формул > > >

Интеграл

Комплексные числа

Действия с комплексными числами осуществляются при помощи формулы Эйлера:
,
где есть мнимая единица:
.

Выражения через гиперболические функции

Выражения через тригонометрические функции

Разложение в степенной ряд

Использованная литература:
И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов, «Лань», 2009.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 25-02-2014 Изменено: 09-06-2018