Documentation

Mathlib.Analysis.Complex.Exponential

Exponential Function #

This file contains the definitions of the real and complex exponential function.

Main definitions #

theorem Complex.isCauSeq_exp (z : โ„‚) :
IsCauSeq (fun (x : โ„‚) => โ€–xโ€–) fun (n : โ„•) => โˆ‘ m โˆˆ Finset.range n, z ^ m / โ†‘m.factorial

The Cauchy sequence consisting of partial sums of the Taylor series of the complex exponential function

Equations
    Instances For
      @[irreducible]

      The complex exponential function, defined via its Taylor series

      Equations
        Instances For

          scoped notation for the complex exponential function

          Equations
            Instances For

              The real exponential function, defined as the real part of the complex exponential

              Equations
                Instances For

                  scoped notation for the real exponential function

                  Equations
                    Instances For

                      the exponential function as a monoid hom from Multiplicative โ„‚ to โ„‚

                      Equations
                        Instances For
                          theorem Complex.exp_sum {ฮฑ : Type u_1} (s : Finset ฮฑ) (f : ฮฑ โ†’ โ„‚) :
                          exp (โˆ‘ x โˆˆ s, f x) = โˆ x โˆˆ s, exp (f x)
                          theorem Complex.exp_nsmul' (x a p : โ„‚) (n : โ„•) :
                          exp (a * โ†‘n * x / p) = exp (a * x / p) ^ n

                          This is a useful version of exp_nsmul for q-expansions of modular forms.

                          theorem Complex.exp_nat_mul (x : โ„‚) (n : โ„•) :
                          exp (โ†‘n * x) = exp x ^ n
                          @[simp]
                          theorem Complex.exp_int_mul (z : โ„‚) (n : โ„ค) :
                          exp (โ†‘n * z) = exp z ^ n
                          @[simp]
                          theorem Complex.ofReal_exp_ofReal_re (x : โ„) :
                          โ†‘(exp โ†‘x).re = exp โ†‘x
                          @[simp]
                          theorem Complex.ofReal_exp (x : โ„) :
                          โ†‘(Real.exp x) = exp โ†‘x
                          @[simp]
                          theorem Complex.exp_ofReal_im (x : โ„) :
                          (exp โ†‘x).im = 0

                          the exponential function as a monoid hom from Multiplicative โ„ to โ„

                          Equations
                            Instances For
                              theorem Real.exp_sum {ฮฑ : Type u_1} (s : Finset ฮฑ) (f : ฮฑ โ†’ โ„) :
                              exp (โˆ‘ x โˆˆ s, f x) = โˆ x โˆˆ s, exp (f x)
                              theorem Real.exp_nat_mul (x : โ„) (n : โ„•) :
                              exp (โ†‘n * x) = exp x ^ n
                              @[simp]
                              theorem Real.exp_ne_zero (x : โ„) :
                              theorem Real.sum_le_exp_of_nonneg {x : โ„} (hx : 0 โ‰ค x) (n : โ„•) :
                              โˆ‘ i โˆˆ Finset.range n, x ^ i / โ†‘i.factorial โ‰ค exp x
                              @[deprecated Real.exp_strictMono (since := "2025-10-20")]
                              theorem Real.exp_lt_exp_of_lt {x y : โ„} (h : x < y) :
                              exp x < exp y
                              @[simp]
                              theorem Real.exp_lt_exp {x y : โ„} :
                              exp x < exp y โ†” x < y
                              @[simp]
                              theorem Real.exp_eq_exp {x y : โ„} :
                              exp x = exp y โ†” x = y
                              theorem Complex.sum_div_factorial_le {ฮฑ : Type u_1} [Field ฮฑ] [LinearOrder ฮฑ] [IsStrictOrderedRing ฮฑ] (n j : โ„•) (hn : 0 < n) :
                              โˆ‘ m โˆˆ Finset.range j with n โ‰ค m, 1 / โ†‘m.factorial โ‰ค โ†‘n.succ / (โ†‘n.factorial * โ†‘n)
                              theorem Complex.exp_bound {x : โ„‚} (hx : โ€–xโ€– โ‰ค 1) {n : โ„•} (hn : 0 < n) :
                              โ€–exp x - โˆ‘ m โˆˆ Finset.range n, x ^ m / โ†‘m.factorialโ€– โ‰ค โ€–xโ€– ^ n * (โ†‘n.succ * (โ†‘n.factorial * โ†‘n)โปยน)
                              theorem Complex.exp_bound' {x : โ„‚} {n : โ„•} (hx : โ€–xโ€– / โ†‘n.succ โ‰ค 1 / 2) :
                              โ€–exp x - โˆ‘ m โˆˆ Finset.range n, x ^ m / โ†‘m.factorialโ€– โ‰ค โ€–xโ€– ^ n / โ†‘n.factorial * 2
                              theorem Real.exp_bound {x : โ„} (hx : |x| โ‰ค 1) {n : โ„•} (hn : 0 < n) :
                              |exp x - โˆ‘ m โˆˆ Finset.range n, x ^ m / โ†‘m.factorial| โ‰ค |x| ^ n * (โ†‘n.succ / (โ†‘n.factorial * โ†‘n))
                              theorem Real.exp_bound' {x : โ„} (h1 : 0 โ‰ค x) (h2 : x โ‰ค 1) {n : โ„•} (hn : 0 < n) :
                              exp x โ‰ค โˆ‘ m โˆˆ Finset.range n, x ^ m / โ†‘m.factorial + x ^ n * (โ†‘n + 1) / (โ†‘n.factorial * โ†‘n)
                              noncomputable def Real.expNear (n : โ„•) (x r : โ„) :

                              A finite initial segment of the exponential series, followed by an arbitrary tail. For fixed n this is just a linear map w.r.t. r, and each map is a simple linear function of the previous (see expNear_succ), with expNear n x r โŸถ exp x as n โŸถ โˆž, for any r.

                              Equations
                                Instances For
                                  @[simp]
                                  theorem Real.expNear_zero (x r : โ„) :
                                  expNear 0 x r = r
                                  @[simp]
                                  theorem Real.expNear_succ (n : โ„•) (x r : โ„) :
                                  expNear (n + 1) x r = expNear n x (1 + x / (โ†‘n + 1) * r)
                                  theorem Real.expNear_sub (n : โ„•) (x rโ‚ rโ‚‚ : โ„) :
                                  expNear n x rโ‚ - expNear n x rโ‚‚ = x ^ n / โ†‘n.factorial * (rโ‚ - rโ‚‚)
                                  theorem Real.exp_approx_end (n m : โ„•) (x : โ„) (eโ‚ : n + 1 = m) (h : |x| โ‰ค 1) :
                                  |exp x - expNear m x 0| โ‰ค |x| ^ m / โ†‘m.factorial * ((โ†‘m + 1) / โ†‘m)
                                  theorem Real.exp_approx_succ {n : โ„•} {x aโ‚ bโ‚ : โ„} (m : โ„•) (eโ‚ : n + 1 = m) (aโ‚‚ bโ‚‚ : โ„) (e : |1 + x / โ†‘m * aโ‚‚ - aโ‚| โ‰ค bโ‚ - |x| / โ†‘m * bโ‚‚) (h : |exp x - expNear m x aโ‚‚| โ‰ค |x| ^ m / โ†‘m.factorial * bโ‚‚) :
                                  |exp x - expNear n x aโ‚| โ‰ค |x| ^ n / โ†‘n.factorial * bโ‚
                                  theorem Real.exp_approx_end' {n : โ„•} {x a b : โ„} (m : โ„•) (eโ‚ : n + 1 = m) (rm : โ„) (er : โ†‘m = rm) (h : |x| โ‰ค 1) (e : |1 - a| โ‰ค b - |x| / rm * ((rm + 1) / rm)) :
                                  |exp x - expNear n x a| โ‰ค |x| ^ n / โ†‘n.factorial * b
                                  theorem Real.exp_1_approx_succ_eq {n : โ„•} {aโ‚ bโ‚ : โ„} {m : โ„•} (en : n + 1 = m) {rm : โ„} (er : โ†‘m = rm) (h : |exp 1 - expNear m 1 ((aโ‚ - 1) * rm)| โ‰ค |1| ^ m / โ†‘m.factorial * (bโ‚ * rm)) :
                                  |exp 1 - expNear n 1 aโ‚| โ‰ค |1| ^ n / โ†‘n.factorial * bโ‚
                                  theorem Real.exp_approx_start (x a b : โ„) (h : |exp x - expNear 0 x a| โ‰ค |x| ^ 0 / โ†‘(Nat.factorial 0) * b) :
                                  theorem Real.exp_bound_div_one_sub_of_interval' {x : โ„} (h1 : 0 < x) (h2 : x < 1) :
                                  exp x < 1 / (1 - x)
                                  theorem Real.one_sub_div_pow_le_exp_neg {n : โ„•} {t : โ„} (ht' : t โ‰ค โ†‘n) :
                                  (1 - t / โ†‘n) ^ n โ‰ค exp (-t)

                                  Extension for the positivity tactic: Real.exp is always positive.

                                  Equations
                                    Instances For