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2022年4月20日

(e^x)'=e^xであることを確かめるためには

 なぜ(e^x)'=e^xが成り立つのでしょうか?
微分の定義に従うと
\begin{align*}(e^x)'&=\lim_{h\to0}\frac{e^{x+h}-e^x}{h}\\[0.5em]&=\lim_{h\to0}\frac{e^h\cdot e^x-e^x}{h}\\[0.5em]&=\lim_{h\to0}\frac{e^x(e^h-1)}{h}\\[0.5em]&=e^x\lim_{h\to0}\frac{e^h-1}{h}\end{align*}
となるので、
\begin{equation}\lim_{h\to0}\frac{e^h-1}{h}=1\end{equation}
であることがわかれば良いことがわかります。
これを確かめるには、以下のようにします。
ネイピア数eについて
e=\lim_{t\to0}(1+t)^\frac{1}{t}
であるので、両辺の対数をとって変形すると
\lim_{t\to0}\frac{\log_e (1+t)}{t}=1

外部リンク:極限 x→0 (log(x+1))/x

更に変形して
\lim_{h\to0}\frac{e^h-1}{h}=1

外部リンク:極限 x→0 (e^x-1)/x

以上より、(1)が成り立つことが確かめられたので
(e^x)'=e^x
であることがわかります。

 底がe以外である場合は、a^xa>0,a\neq e)を微分の定義に従って微分すると
\begin{align*}(a^x)'&=\lim_{h\to0}\frac{a^{x+h}-a^x}{h}\\[0.5em]&=a^x\lim_{h\to0}\frac{a^h-1}{h}\end{align*}
となります。
\lim_{h\to0}\frac{a^h-1}{h}を(1)が成り立つことを確かめるときと同様にすると
\lim_{t\to0}\frac{\log_e (1+t)}{t}=1
1+t=a^hとおくとt\to0のときh\to0となるから
\begin{align*}\lim_{h\to0}\frac{log_e (a^h)}{a^h-1}&=1\\[0.5em]\lim_{h\to0}\frac{h\log_e{a}}{a^h-1}&=1\\[0.5em]\log_e{a}\lim_{h\to0}\frac{h}{a^h-1}&=1\\[0.5em]\lim_{h\to0}\frac{h}{a^h-1}&=\frac{1}{\log_e{a}}\end{align*}
両辺の逆数をとると
\lim_{h\to0}\frac{a^h-1}{h}=\log_e{a}
したがって、
(a^x)'=a^x\log_e{a}
となることがわかります。
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