Если , то ;
Если , то ;
;
.
Степень числа с натуральным показателем определяется индуктивно:
Степень числа с целым показателем определяется следующим образом:
Справедливы следующие свойства степени с целым показателем.
,
,
.
Если , то , в частности ,
Если , то , в частности .
Если , то ,
Если , то .
Если , то ,
Если , то .
Покажем, что при верно и .
Множество не ограничено сверху. Действительно, допустим противное: множество ограничено сверху. Тогда множество имеет точную верхнюю границу , в частности . Поскольку и , то справедливо неравенство . По свойству точной верхней границы найдется такой, что , откуда следует , что невозможно. Заметим, что с учетом монотонности по можно утверждать, что . Этим показано, что .
Из доказанного также следует, что , то есть .
Далее покажем, что для всякого натурального и существует и единственное число такое, что , то есть однозначно определен корень .
Этот факт может быть получен как следствие непрерывности степенной функции на всяком отрезке, лежащем в и теоремы о промежуточном значении. Непрерывность степенной функции следует из определения и арифметических свойств предела.
Действительно, пусть задан какой-то . Если , то будет верно . Если , то будет верно . В обоих случаях можно применяя теорему о промежуточном значении можем заключить, что найдется такой, что .
Справедливы следующие свойства корня, которые следуют из свойств степеней.
,
.
Если , то ,
Если , то .
Определим степень вещественного числа с рациональным показателем .
Пусть пока .
Всякое рациональное число может быть представлено в виде отношения , где – целое, а – натуральное.
Положим по определению .
Отображение определено корректно в том смысле, что не зависит от представления рационального числа в виде отношения , а также оно инъективное.
.
Покажем, что справедливы следующие свойства.
,
.
Так как , то по определению корня имеем .
Так как , то по определению корня имеем .
Так как при и справедливы неравенства и , то для любого рационального будем иметь .
Из этого следует, что при будем иметь .
Действительно, .
Покажем, что .
Пусть задано произвольное .
Так как и , то найдется номер такой, что .
Ввиду монотонности по можно заключить, что при будет верно .
Этим показано, что .
Покажем, что , то есть отображение непрерывно.
.
Определим степень числа с вещественным показателем .
Известно, что всякое вещественное число является пределом некоторой последовательности рациональных чисел .
Положим по определению .
Покажем, что этот предел всегда существует. Для этого достаточно показать, что последовательность фундаментальная.
Последовательность сходится, а значит она фундаментальная и ограниченная.
Так как ограничена, то найдется число такое, что для всех натуральных верно . Из этого следует, что последовательность также ограничена, поскольку ввиду монотонности для всех натуральных верно .
Из оценки с учетом ограниченности последовательности и того факта, что , следует фундаментальность последовательности .
Покажем, что отображение определено корректно в том смысле, что предел не зависит от выбора последовательности .
Пусть и .
Из оценки с учетом ограниченности последовательности и того факта, что , следует, что , откуда с учетом существования предела следует .
Покажем, что .
Пусть и .
Тогда .
По определению .
Покажем, что при и верно неравенство .
Так как , то найдется рациональное такое, что при всех достаточно больших номерах будет верно неравенство . С учетом уже доказанной монотонности по рациональному можно заключить, что при всех достаточно больших номерах будет верно неравенство . Переходя к пределу, получим .
Из предыдущих двух свойств следует, что при будем иметь .
Действительно, .
Далее покажем, что .
Доказательство проводится так же, как и для рационального показателя.
Пусть задано произвольное .
Так как и , то найдется номер такой, что .
Ввиду монотонности по можно заключить, что при будет верно .
Покажем, что , то есть отображение непрерывно.
.
Теперь покажем, что .
Докажем индукцией по натуральному , что .
При равенство, очевидно, верно.
Если утверждение верно при , то есть .
Тогда , то есть равенство верно при .
Заметим, что , поскольку .
Теперь докажем равенство для отрицательных целых чисел.
Пусть , где – натуральное.
.
Итак, равенство верно для всех целых .
Поскольку при всех натуральных верно = a^x, то по определению .
Итак, равенство доказано для всех рациональных .
Пусть .
Тогда .
.
В последнем равенстве использовали непрерывность отображения .
При построении отображения мы считали . Но все построения можно было повторить и для .
Так как при и справедливы неравенства и , то для любого рационального будем иметь .
Из этого будет следовать, что при будем иметь .
Из этого, в свою очередь, будет следовать, что при и верно неравенство .
Из этого будет следовать, что при верно .
Итак, при на множестве вещественных чисел мы построили вещественнозначную функцию , которая действует из в и обладает следующими свойствами:
- ;
- ;
- ;
- ;
- при ,
- при .
Функция называется показательной функцией, число называется основанием степени, а — показателем степени.
Докажем, что функция биективная.
Инъективность немедленно следует из строгой монотонности.
Докажем сюръективность.
Если , тогда и .
Если , тогда и .
Из этого следует, что для любого вещественного найдутся целые числа такие, что .
Так как , то с учетом непрерывности функции по теореме о промежуточном значении найдется такое, что .
Итак, доказано, что функция биективная.