數學英文

指對函數

當自變數 \(x\) 在次方的底數位置,形成的函數 \(x\mapsto x^r\) 為冪函數 (power function); 把自變數 \(x\) 放在指數位置, 例如將 \(x\) 放上 \(a\) 的指數 (\(a\) raised to the power of \(x\)) 這樣的函數 \(x\mapsto a^x\) 在中學稱為指數函數, 但是英文通常稱 \(y=a^x\) 這種關係為指數成長或衰退 (exponential growth or decay), 意思是說某個量 \(y\) 以它現存量的固定比率增加或減少:

The quantity increases or decreases at a rate proportional to its current value.
這時候自變數 \(x\) 通常代表時間,例如在 1 單位時間之後增加 7%, 則 1 單位時間之後的量是 \((1.07)y\), 又例如在 1 單位時間之後衰退 (decay 或 decline) 7%, 則 1 單位時間之後的量是 \((0.93)y\)。 衰退又稱為負成長 (negative growth); 所謂「負成長」意思是 1 單位時間之後的量比現存量少, 而任何量最少就是衰退到 0,不會衰退成負的量。 「負成長」的比率──衰退率 (decay rate)──不會超過 100%, 但「成長」的比率──成長率 (growth rate)──可以超過 100%。 因為 1 單位時間之後的量是 \(a\cdot y\),其中乘數 (multiplier) \[ a = 1+\text{成長率}\quad\text{或}\quad 1-\text{衰退率}\] 所以 \(0\lt a\not=1\):
The multiplier \(a\) is greater than zero but not equal to one.
在任何一段時間 \(x\) 之後,\(y=a^x\)。

在現代數學的語彙中, 所謂指數函數 (exponential function) 的意思是: 以特定常數──歐拉數 (Euler number) \(e\) ──為底的指數函數 \(x\mapsto e^x\), 簡稱指函數,它也經常寫成 \(\exp(x)\),讀作 exponential of x 或 exponential x。 歐拉數 \(e\) 建議讀作「ㄝ」以免跟「1」讀音混淆; 它是無理數,其值 \(e\approx2.7183\):

The mathematical constant \(e\) is an irrational number approximately equal to 2.7183.

因為任何正數 \(a\) 都滿足 \(a=e^k\), 所以一般的指數成長或衰退 \(a^x\) 可以改寫成指函數 \(\exp(kx)\), 其中 \(k\not=0\)──因為 \(a\not=1\)。

如果 \(y=a^x\) 則反過來 \(x=\log_a y\),這種形式的函數 \(x\mapsto \log_ax\) 就是以 \(a\) 為底的對數函數:

logarithmic function with base \(a\)
當底是歐拉數 \(e\) 的時候,\(\log_e\) 特別稱為自然對數 (natural logarithm),應該記作 \(\ln\),讀作 long, 但是在許多科學與工程領域中,所謂對數函數就是指自然對數函數, 所以記號還是寫 \(\log\)。 因此,在文獻中讀到 \(\log x\) 時,要留意它的底究竟是 10 還是 \(e\)?

對數函數可簡稱為對函數,所以指數與對數函數可以合併稱為指對函數。

[語音講解:exp-fcn.mp3]

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Created: Jul 29, 2023
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