x, y, z

Определение показательной функции

# 28 Дек 2015 01:09:32
Evgeniy

Будем пользоваться следующими свойствами вещественных чисел, связанными с неравенствами:

Если $$0<c$$, то $$a<b \Leftrightarrow ac<bc$$;

Если $$c<0$$, то $$a<b \Leftrightarrow ac>bc$$;

$$0<a \Leftrightarrow 0<\frac{1}{a}$$;

$$0<a<b \Leftrightarrow 0<\frac{1}{b}<\frac{1}{a}$$.

Степень числа $$a$$ с натуральным показателем $$n$$ определяется индуктивно:

$$\begin{cases} a^1 = a \\ a^{n+1} = a^{n} \cdot a \end{cases}$$

Степень числа $$a$$ с целым показателем $$n$$ определяется следующим образом:

$$a^n = \begin{cases} a^n & \text{если}\ n>0 \\ 1 & \text{если}\ n=0 \\ \left( a^{-1} \right)^{|n|} & \text{если}\ n<0 \\ \end{cases}$$

Справедливы следующие свойства степени с целым показателем.

$$a^{m+n} = a^{m} a^{n}$$,
$$\left(a^m\right)^n = a^{m n}$$,
$$\left(a b\right)^n = a^n b^n$$.

Если $$n>0$$, то $$a<b \Leftrightarrow a^n<b^n$$, в частности $$1<a \Leftrightarrow 1<a^n$$,
Если $$n<0$$, то $$a<b \Leftrightarrow a^n>b^n$$, в частности $$1<a \Leftrightarrow 1>a^n$$.

Если $$a>1$$, то $$a^n>1$$,
Если $$0<a<1$$, то $$0<a^n<1$$.

Если $$a>1$$, то $$m<n \Leftrightarrow a^m<a^n$$,
Если $$0<a<1$$, то $$m<n \Leftrightarrow a^m>a^n$$.

Покажем, что при $$a>1$$ верно $$\lim_{n \to +\infty}a^n = +\infty$$ и $$\lim_{n \to -\infty}a^n = 0$$.

Множество $$A = \{a^n, n \in \mathbb{N}\}$$ не ограничено сверху. Действительно, допустим противное: множество $$A$$ ограничено сверху. Тогда множество $$A$$ имеет точную верхнюю границу $$s$$, в частности $$\forall n \in \mathbb{N}\ a^n \le s$$. Поскольку $$a>1$$ и $$0<\frac{1}{a}<1$$, то справедливо неравенство $$\frac{a}{s}<s$$. По свойству точной верхней границы найдется $$n_0$$ такой, что $$\frac{a}{s} < a^{n_0} \le s$$, откуда следует $$s < a^{n_0+1}$$, что невозможно. Заметим, что с учетом монотонности $$a^n$$ по $$n$$ можно утверждать, что $$\forall x\in\mathbb{R}\ \exists n_0 \in \mathbb{N}\ \forall n>n_0\ \left (a^n>x \right )$$. Этим показано, что $$\lim_{n \to +\infty}a^n = +\infty$$.

Из доказанного также следует, что $$\forall \varepsilon>0\ \exists n_0 \in \mathbb{N}\ \forall n>n_0\ \left (0 < a^{-n}=\frac{1}{a^n} < \varepsilon \right )$$, то есть $$\lim_{n \to -\infty}a^n = 0$$.

Далее покажем, что для всякого натурального $$n$$ и $$a>0$$ существует и единственное число $$c>0$$ такое, что $$c^n=a$$, то есть однозначно определен корень $$\sqrt[n]{a}>0$$.

Этот факт может быть получен как следствие непрерывности степенной функции $$f(x)=x^n$$ на всяком отрезке, лежащем в $$(0,+\infty)$$ и теоремы о промежуточном значении. Непрерывность степенной функции следует из определения и арифметических свойств предела.

Действительно, пусть задан какой-то $$y>0$$. Если $$1<y$$, то будет верно $$f(1)=1^n < y \le y^n=f(y)$$. Если $$0<y<1$$, то будет верно $$f(y)=y^n \le y < 1^n=f(1)$$. В обоих случаях можно применяя теорему о промежуточном значении можем заключить, что найдется $$x>0$$ такой, что $$f(x)=x^n=y$$.

Справедливы следующие свойства корня, которые следуют из свойств степеней.

$$\sqrt[m]{\sqrt[n]{a}} = \sqrt[mn]{a}$$,
$$\sqrt[n]{a b} = \sqrt[n]{a}\sqrt[n]{b}$$.

Если $$a>1$$, то $$m<n \Leftrightarrow \sqrt[m]{a}<\sqrt[n]{a}$$,
Если $$0<a<1$$, то $$m<n \Leftrightarrow \sqrt[m]{a}>\sqrt[n]{a}$$.

Определим степень вещественного числа $$a$$ с рациональным показателем $$r$$.

Пусть пока $$a>1$$.

Всякое рациональное число $$r$$ может быть представлено в виде отношения $$r=\frac{m}{n}$$, где $$m$$ – целое, а $$n$$ – натуральное.

Положим по определению $$a^r = \sqrt[n]{a^m}$$.

Отображение $$r \mapsto a^r$$ определено корректно в том смысле, что не зависит от представления рационального числа $$r$$ в виде отношения $$r=\frac{m}{n}$$, а также оно инъективное.

$$\sqrt[n]{a^m} = \sqrt[n']{a^{m'}} \Leftrightarrow \left(\sqrt[n]{a^m}\right)^{nn'} = \left(\sqrt[n']{a^{m'}}\right)^{nn'} \Leftrightarrow a^{mn'} = a^{nm'} \Leftrightarrow mn' = nm' \Leftrightarrow \frac{m}{n}=\frac{m'}{n'}$$.

Покажем, что справедливы следующие свойства.

$$a^{r_1+r_2} = a^{r_1}a^{r_2}$$,
$$\left(a^{r_1}\right)^{r_2} = a^{r_1r_2}$$.

Так как $$\left(\sqrt[n_1]{a^{m_1}}\sqrt[n_2]{a^{m_2}}\right)^{n_1n_2} = \left(\sqrt[n_1]{a^{m_1}}\right)^{n_1n_2}\left(\sqrt[n_2]{a^{m_2}}\right)^{n_1n_2} = a^{m_1n_2}a^{m_2n_1} = a^{m_1n_2+m_2n_1}$$, то по определению корня имеем $$a^{r_1}a^{r_2} = a^{\frac{m_1}{n_1}}a^{\frac{m_2}{n_2}} = \sqrt[n_1]{a^{m_1}}\sqrt[n_2]{a^{m_2}} = \sqrt[n_1n_2]{a^{m_1n_2+m_2n_1}} = a^{\frac{m_1}{n_1}+\frac{m_2}{n_2}} = a^{\frac{m_1n_2+m_2n_1}{n_1n_2}} = a^{r_1+r_2}$$.

Так как $$\left (\sqrt[n_2]{\left (\sqrt[n_1]{a^{m_1}} \right )^{m_2}} \right )^{n_1n_2}=a^{m_1m_2}$$, то по определению корня имеем $$\left(a^{r_1}\right)^{r_2} = \left(a^{\frac{m_1}{n_1}}\right)^{\frac{m_2}{n_2}} = \left (\sqrt[n_2]{\left (\sqrt[n_1]{a^{m_1}} \right )^{m_2}} \right ) = \sqrt[n_1n_2]{a^{m_1m_2}} = a^{r_1r_2}$$.

Так как при $$a>1$$ и $$m,n>0$$ справедливы неравенства $$a^m>1$$ и $$\sqrt[n]{a}>1$$, то для любого рационального $$r>0$$ будем иметь $$a^r>1$$.

Из этого следует, что при $$a>1$$ будем иметь $$r_1<r_2 \Leftrightarrow a^{r_1}<a^{r_2}$$.

Действительно, $$a^{r_2} = a^{r_1}\cdot a^{r_2-r_1} > a^{r_1}\cdot 1 = a^{r_1}$$.

Покажем, что $$\lim_{r \to 0} a^r = 1$$.

Пусть задано произвольное $$\varepsilon>0$$.

Так как $$\lim_{n\to \infty} \sqrt[n]{a}=1$$ и $$\lim_{n\to \infty} \frac{1}{\sqrt[n]{a}}=1$$, то найдется номер $$n_0$$ такой, что $$\forall n>n_0\ \left(1-\varepsilon < a^{-\frac{1}{n}} < a^{\frac{1}{n}}<1+\varepsilon\right)$$.

Ввиду монотонности $$a^r$$ по $$r$$ можно заключить, что при $$|r|<\frac{1}{n}$$ будет верно $$1-\varepsilon < a^{-\frac{1}{n}}< a^r < a^{\frac{1}{n}}<1+\varepsilon$$.

Этим показано, что $$\lim_{r \to 0} a^r = 1$$.

Покажем, что $$\lim_{r \to r_0} a^r = a^{r_0}$$, то есть отображение $$r \mapsto a^r$$ непрерывно.

$$\lim_{r \to r_0} \left( a^r - a^{r_0} \right) = \lim_{r \to r_0} a^{r_0}\cdot \left( a^{r -r_0} - 1 \right) = a^{r_0}\cdot \lim_{r \to r_0} \left( a^{r -r_0} - 1 \right) = 0$$.

Определим степень числа $$a$$ с вещественным показателем $$x$$.

Известно, что всякое вещественное число $$x$$ является пределом некоторой последовательности рациональных чисел $$r_n \to x$$.

Положим по определению $$a^x = \lim_{n \to +\infty}a^{r_n}$$.

Покажем, что этот предел всегда существует. Для этого достаточно показать, что последовательность $$a^{r_n}$$ фундаментальная.

Последовательность $$r_n$$ сходится, а значит она фундаментальная и ограниченная.

Так как $$r_n$$ ограничена, то найдется число $$M>0$$ такое, что для всех натуральных $$n$$ верно $$-M < r_n < M$$. Из этого следует, что последовательность $$a^{r_n}$$ также ограничена, поскольку ввиду монотонности $$a^r$$ для всех натуральных $$n$$ верно $$a^{-M} < a^{r_n} < a^{M}$$.

Из оценки $$\left|a^{r_m} - a^{r_n}\right|=\left | a^{r_n} \right | \cdot \left | a^{r_m-r_n} - 1 \right |$$ с учетом ограниченности последовательности $$a^{r_n}$$ и того факта, что $$\lim_{r \to 0} a^r = 1$$, следует фундаментальность последовательности $$a^{r_n}$$.

Покажем, что отображение $$x \mapsto a^x$$ определено корректно в том смысле, что предел $$\lim_{n \to +\infty}a^{r_n}$$ не зависит от выбора последовательности $$r_n$$.

Пусть $$r_n \to x$$ и $$r'_n \to x$$.

Из оценки $$\left|a^{r_n} - a^{r'_n}\right|=\left | a^{r'_n} \right | \cdot \left | a^{r_n-r'_n} - 1 \right |$$ с учетом ограниченности последовательности $$a^{r'_n}$$ и того факта, что $$\lim_{r \to 0} a^r = 1$$, следует, что $$\lim_{n \to +\infty} \left( a^{r_n}-a^{r_n} \right) = 0$$, откуда с учетом существования предела $$\lim_{n \to +\infty} a^{r_n}$$ следует $$\lim_{n \to +\infty} a^{r_n} = \lim_{n \to +\infty} a^{r'_n}$$.

Покажем, что $$a^{x+x'} = a^{x}a^{x'}$$.

Пусть $$r_n \to x$$ и $$r'_n \to x'$$.

Тогда $$r_n+r'_n \to x+x'$$.

По определению $$a^{x+x'} = \lim_{n \to +\infty} a^{r_n+r'_n} = \lim_{n \to +\infty} a^{r_n} \cdot \lim_{n \to +\infty} a^{r'_n} = a^{x}a^{x'}$$.

Покажем, что при $$a>1$$ и $$x>0$$ верно неравенство $$a^x > 1$$.

Так как $$r_n \to x > 0$$, то найдется рациональное $$\delta > 0$$ такое, что при всех достаточно больших номерах $$n$$ будет верно неравенство $$r_n > \delta > 0$$. С учетом уже доказанной монотонности $$a^r$$ по рациональному $$r$$ можно заключить, что при всех достаточно больших номерах $$n$$ будет верно неравенство $$a^{r_n} > a^{\delta} > 1$$. Переходя к пределу, получим $$a^x = \lim_{n \to +\infty} a^{r_n} \ge a^{\delta} > 1$$.

Из предыдущих двух свойств следует, что при $$a>1$$ будем иметь $$x_1<x_2 \Leftrightarrow a^{x_1}<a^{x_2}$$.

Действительно, $$a^{x_2} = a^{x_1} \cdot a^{x_2-x_1} > a^{x_1}\cdot 1 = a^{x_1}$$.

Далее покажем, что $$\lim_{x \to 0} a^x = 1$$.

Доказательство проводится так же, как и для рационального показателя.

Пусть задано произвольное $$\varepsilon>0$$.

Так как $$\lim_{n\to \infty} \sqrt[n]{a}=1$$ и $$\lim_{n\to \infty} \frac{1}{\sqrt[n]{a}}=1$$, то найдется номер $$n_0$$ такой, что $$\forall n>n_0\ \left(1-\varepsilon < a^{-\frac{1}{n}} < a^{\frac{1}{n}}<1+\varepsilon\right)$$.

Ввиду монотонности $$a^x$$ по $$x$$ можно заключить, что при $$|x|<\frac{1}{n}$$ будет верно $$1-\varepsilon < a^{-\frac{1}{n}}< a^x < a^{\frac{1}{n}}<1+\varepsilon$$.

Покажем, что $$\lim_{x \to x_0} a^x = a^{x_0}$$, то есть отображение $$x \mapsto a^x$$ непрерывно.

$$\lim_{x \to x_0} \left( a^x - a^{x_0} \right) = \lim_{x \to x_0}a^{x_0}\cdot \left( a^{x -x_0} - 1 \right) = a^{x_0}\cdot \lim_{x \to x_0} \left( a^{x -x_0} - 1 \right) = 0$$.

Теперь покажем, что $$\left(a^{x}\right)^{y} = a^{xy}$$.

Докажем индукцией по натуральному $$n$$, что $$\left(a^{x}\right)^{n} = a^{xn}$$.

При $$n=1$$ равенство, очевидно, верно.

Если утверждение верно при $$n$$, то есть $$\left(a^{x}\right)^{n} = a^{xn}$$.

Тогда $$\left(a^{x}\right)^{n+1} = \left(a^{x}\right)^{n}\cdot a^{x} = a^{xn}\cdot a^{x} = a^{xn+x} = a^{x(n+1)}$$, то есть равенство верно при $$n+1$$.

Заметим, что $$\left(a^x\right)^{-1} = a^{-x}$$, поскольку $$a^xa^{-x} = a^{x-x}=a^0 = 1$$.

Теперь докажем равенство для отрицательных целых чисел.

Пусть $$m = -n$$, где $$n$$ – натуральное.

$$\left(a^{x}\right)^{m} = \left(a^{x}\right)^{-n} = \frac{1}{\left(a^{x}\right)^{n}} = \frac{1}{a^{xn}} = a^{-xn} = a^{x(-n)} = a^{xm}$$.

Итак, равенство $$\left(a^{x}\right)^{m} = a^{xm}$$ верно для всех целых $$m$$.

Поскольку при всех натуральных $$n$$ верно $$\left (a^{x\frac{1}{n}} \right )^n = a^{x\frac{1}{n}n}$$ = a^x, то по определению $$\left(a^{x}\right)^{\frac{1}{n}} = a^{x\frac{1}{n}}$$.

Итак, равенство $$\left(a^{x}\right)^{r} = a^{xr}$$ доказано для всех рациональных $$r$$.

Пусть $$r_n \to y$$.

Тогда $$xr_n \to xy$$.

$$\left (a^x \right )^y = \lim_{n \to +\infty } \left (a^x \right )^{r_n} = \lim_{n \to+ \infty } a^{xr_n} = a^{xy}$$.

В последнем равенстве использовали непрерывность отображения $$x \mapsto a^x$$.

При построении отображения $$x \mapsto a^x$$ мы считали $$a>1$$. Но все построения можно было повторить и для $$0<a<1$$.

Так как при $$0<a<1$$ и $$m,n>0$$ справедливы неравенства $$0<a^m<0$$ и $$0<\sqrt[n]{a}<0$$, то для любого рационального $$r>0$$ будем иметь $$0<a^r<0$$.

Из этого будет следовать, что при $$0<a<1$$ будем иметь $$r_1<r_2 \Leftrightarrow a^{r_1}>a^{r_2}$$.

Из этого, в свою очередь, будет следовать, что при $$0<a<1$$ и $$x>0$$ верно неравенство $$0<a^x<1$$.

Из этого будет следовать, что при $$0<a<1$$ верно $$x_1<x_2 \Leftrightarrow a^{x_1}>a^{x_2}$$.

Итак, при $$a > 0,\ a \ne 1$$ на множестве вещественных чисел мы построили вещественнозначную функцию $$x \mapsto a^x$$, которая действует из $$\mathbb{R}$$ в $$\mathbb{R}_+=\{x\in\mathbb{R}:x>0\}$$ и обладает следующими свойствами:

  1. $$a^1=a$$;
  2. $$a^{x_1+x_2} = a^{x_1}a^{x_2}$$;
  3. $$\left(a^{x_1}\right)^{x_2} = a^{x_1x_2}$$;
  4. $$\lim_{x \to x_0} a^x = a^{x_0}$$;
  5. $$x_1<x_2 \Leftrightarrow a^{x_1}>a^{x_2}$$ при $$0<a<1$$,
  6. $$x_1<x_2 \Leftrightarrow a^{x_1}<a^{x_2}$$ при $$a>1$$.

Функция $$f(x) = a^x$$ называется показательной функцией, число $$a$$ называется основанием степени, а $$x$$ — показателем степени.

Докажем, что функция $$a^x:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}_+$$ биективная.

Инъективность $$a^x$$ немедленно следует из строгой монотонности.

Докажем сюръективность.

Если $$a>1$$, тогда $$\lim_{n \to +\infty}a^n = +\infty$$ и $$\lim_{n \to -\infty}a^n = 0$$.

Если $$0<a<1$$, тогда $$\lim_{n \to +\infty}a^n = 0$$ и $$\lim_{n \to -\infty}a^n = +\infty$$.

Из этого следует, что для любого вещественного $$y>0$$ найдутся целые числа $$m,n$$ такие, что $$a^m < y < a^n$$.

Так как $$f(m) = a^m < y < a^n = f(n)$$, то с учетом непрерывности функции $$a^x$$ по теореме о промежуточном значении найдется $$x$$ такое, что $$y=a^x$$.

Итак, доказано, что функция $$a^x:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}_+$$ биективная.

График показательной функции
*Имя:
Заголовок:
[tex-clear] [tex-help] [ted]
  • formulas >

* Сколько символов на картинке?
Captcha
Отправляя данные, вы соглашаетесь с Правилами сайта.