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8.5: La función exponencial

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    Definición

    Llamamos a la inversa de la función logaritmo la función exponencial. Denotamos el valor de la función exponencial en un número real\(x\) por\(\exp (x)\).

    Proposición\(\PageIndex{1}\)

    La función exponencial tiene dominio\(\mathrm{R}\) y rango\((0,+\infty)\). Además, la función exponencial es creciente y diferenciable en\(\mathbb{R}\). Si\(f(x)=\exp (x),\) entonces\(f^{\prime}(x)=\exp (x)\).

    Prueba

    Sólo la declaración final de la proposición requiere prueba. Si dejamos\(g(x)=\log (x),\) entonces

    \[f^{\prime}(x)=\frac{1}{g^{\prime}(\exp (x))}=\exp (x).\]

    Q.E.D.

    Proposición\(\PageIndex{2}\)

    Para cualquier número real\(x\) y\(y\),

    \[\exp (x+y)=\exp (x) \exp (y).\]

    Prueba

    El resultado se desprende de

    \[\log (\exp (x) \exp (y))=\log (\exp (x))+\log (\exp (y))=x+y.\]

    Q.E.D.

    Proposición\(\PageIndex{3}\)

    Para cualquier número real\(x\),

    \[\exp (-x)=\frac{1}{\exp (x)}.\]

    Prueba

    El resultado se desprende de

    \[\log \left(\frac{1}{\exp (x)}\right)=-\log (\exp (x))=-x.\]

    Q.E.D.

    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

    Usa el teorema de Thylor para mostrar que

    \[\exp (1)=e=\sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n !}.\]

    Proposición\(\PageIndex{4}\)

    Para cualquier número racional\(\alpha\),

    \[\exp (\alpha)=e^{\alpha}.\]

    Prueba

    Ya\(\log (e)=1,\) que tenemos

    \[\log \left(e^{\alpha}\right)=\alpha \log (e)=\alpha.\]

    Q.E.D.

    Definición

    Si\(\alpha\) es un número irracional, definimos

    \[e^{\alpha}=\exp (\alpha).\]

    Tenga en cuenta que para cualquier número real\(x\) y\(y\),

    \[e^{x+y}=e^{x} e^{y}\]

    y

    \[e^{-x}=\frac{1}{e^{x}}.\]

    Además,\(\log \left(e^{x}\right)=x\) y, si\(x>0, e^{\log (x)}=x\).

    Definición

    Si\(x\) y\(a\) son números reales con\(a>0,\) definimos

    \[a^{x}=e^{x \log (a)}.\]

    Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

    Definir\(f:(0,+\infty) \rightarrow \mathbb{R}\) por\(f(x)=x^{a},\) dónde\(a \in \mathbb{R}, a \neq 0\). \(f^{\prime}(x)=a x^{a-1}\)Demuéstralo.

    Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

    Supongamos que\(a\) es un número real positivo y\(f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) se define por\(f(x)=a^{x} .\) Mostrar eso\(f^{\prime}(x)=a^{x} \log (a)\).

    Proposición\(\PageIndex{5}\)

    Para cualquier número real\(\alpha>0\),

    \[\lim _{x \rightarrow+\infty} x^{\alpha} e^{-x}=0.\]

    Prueba

    Sabemos que

    \[\lim _{y \rightarrow+\infty} \frac{\log (y)}{y^{\frac{1}{2}}}=0.\]

    De ahí

    \[\lim _{y \rightarrow+\infty} \frac{(\log (y))^{\alpha}}{y}=0.\]

    Dejando\(y=e^{x},\) que tengamos

    \[\lim _{x \rightarrow+\infty} \frac{x^{\alpha}}{e^{x}}=0.\]

    Q.E.D.

    Proposición\(\PageIndex{6}\)

    Para cualquier número real\(\alpha\),

    \[\lim _{x \rightarrow+\infty}\left(1+\frac{\alpha}{x}\right)^{x}=e^{\alpha}.\]

    Prueba

    Primero tenga en cuenta que, dejando\(x=\frac{1}{h}\),

    \[\lim _{x \rightarrow+\infty}\left(1+\frac{\alpha}{x}\right)^{x}=\lim _{h \rightarrow 0+}(1+\alpha h)^{\frac{1}{k}}=\lim _{h \rightarrow 0^{+}} e^{\frac{1}{h} \log (1+\alpha h)}.\]

    Usando la regla de I'Hópital, tenemos

    \[\lim _{h \rightarrow 0^{+}} \frac{\log (1+\alpha h)}{h}=\lim _{h \rightarrow 0^{+}} \frac{\alpha}{1+\alpha h}=\alpha,\]

    y el resultado se desprende de la continuidad de la función exponencial. \(\quad\)Q.E.D.

    Definición

    Definimos las funciones de seno hiperbólico y coseno hiperbólico mediante

    \[\sinh (x)=\frac{e^{x}-e^{-x}}{2}\]

    y

    \[\cosh (x)=\frac{e^{x}+e^{-x}}{2},\]

    respectivamente.

    Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

    Demostrar que para cualquier número real\(x\) y\(y\),

    \[\sinh (x+y)=\sinh (x) \cosh (y)+\sinh (y) \cosh (x)\]

    y

    \[\cosh (x+y)=\cosh (x) \cosh (y)+\sinh (x) \sinh (y).\]

    Ejercicio\(\PageIndex{5}\)

    Demostrar que para cualquier número real\(x\),

    \[\cosh ^{2}(x)-\sinh ^{2}(x)=1.\]

    Ejercicio\(\PageIndex{6}\)

    Si\(f(x)=\sinh (x)\) y\(g(x)=\cosh (x),\) mostrar que

    \[f^{\prime}(x)=\cosh (x)\]

    y

    \[g^{\prime}(x)=\sinh (x).\]


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