提到lnx,我們都知道它是eˣ的反函數。而提到eˣ我們要先說說無理數e的意義,(參見以前寫的文章——自然對數的意義 ),這裡對無理數e的意義再作個解釋:
先看下面這個事例:
一個公司年利潤1元,年利潤每年增長50%,那兩年後年利潤為1×(1 0.5)²=2.25元,這是典型的複利計算模型。。
再比如,一個銀行年利率100%,1元存一年本利和為2元。假設利率與時間成比例(一年利率100%,半年利率50%,1/4年利率25%……)。存半年本利和變為原來本利和的1 0.5=1.5倍,一定的金額存半年就會變成原金額的1.5倍,存兩次半年(存一次後将本利和再存入),金額會變成原金額的(1 0.5)²倍;一定金額存1/3年,會變成原金額的1 1/3=4/3倍,存三次1/3年(每次本利和都再存入),金額會變成原金額的(1 1/3)³倍……
這就說明數列{Xn}是單調增加的,這個數列同時還是有上界的,因為,如果Xn的展開式中各項括号内的數用較大的數1代替,得
這說明這個數列的極限是存在的,我們一般用e來表示該極限的值,e≈2.718281828,即
因為若每時每刻銀行都付利息,我們每時每刻又再存入,那一年後的本利和是原金額的e倍,設1元錢這樣存x年後本利和是y,則存兩年y=e²,存x年y=eˣ.
我們接着再看這樣一個例子:
如圖:若P、Q兩點分别以相同的初速度(初速度為每秒1個單位長度),在兩具有相同單位長度的數軸上運動。點Q沿數軸CD(C為原點)作勻速運動,設CQ=x;點P沿數軸OB(O為原點)從A點(OA=1)開始運動,它在任何時刻的速度值等于它離O點的距離,設OP=y,設時間為t(單位秒),易知t與x數值上相等。令P與Q同時分别從A,C出發,我們能否求出y與x的函數關系呢?
我們知道P點的運動特點是在任意時刻以y值為運動速度,t=0時,y=1.能不能求出t=1時y的值呢?
當t=1秒時,CQ=1,将這一秒無限細分成n份,每份1/n秒,設第一個1/n秒位移值為a₁,第二個1/n秒位移值為a₂,……設數列{an}前n項和為Sn,t=1時y=Sn.
類比上面存款模型可知:t=x時y=eˣ,這便是以e為底的指數函數,由y=eˣ知x=lny(lnx與eˣ互為反函數)。
在P點的路程-時間(s−t/y−x)函數中,每一點的路程為該點處的速度(即每一點的函數值為該點的變化率,速度就是路程對時間的變化率)。
我們再來看看從另一個方向的分析:
如圖,我們如何求出由x=1,x=2,x軸和y=x圍成的曲邊梯形面積?
由定積分知該曲邊梯形面積為
(參見前面寫的文章——怎樣理解定積分)。按照分割、近似代替、求和、取極限的步驟可以求得
按現有數學方法,幾乎無法直接對該式求出結果,但根據牛頓萊布尼茨公式,我們可以先找到1/x的原函數再求該曲邊梯形面積。
如圖a從-8 到 0圖象的變化:
可以看出圖象在逐漸接近y=lnx的圖象,這也符合前面的結果(lnx求導是1/x)。
我們還可以這樣理解:
根據互為反函數的函數的求導法則:
這個求導法則怎麼理解呢?要知道,導函數表示原函數的變化率,導數值即原函數圖象切線的斜率。兩函數互為反函數,則它們的圖象關于y=x軸對稱,f(x)圖象在(a,b)處的切線與g(x)圖象在(b,a)處的切線也關于y=x軸對稱,則兩切線的斜率互為倒數,(因為兩切線的傾斜角和為90ᐤ或和為270ᐤ,切線斜率代表導數值,所以兩函數的導函數互為倒數。
前面已經分析了y=eˣ以自身的函數值為導數值,即(eˣ)′=eˣ,設eˣ=y=f(x),則f′(x)=f(x)=y,設其反函數lny=x=g(y),
這樣我們也自然得出
到這裡你明白為什麼lnx求導是1/x了嗎?
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