Методы решения физико-математических задач

Определение и свойства показательной функции

Определение показательной функции
Определение и свойства показательной функции на множестве натуральных, целых и рациональных чисел. Определение на множестве действительных чисел посредством предела последовательности. Теорема о свойствах показательной функции.

Определение показательной функции

Определение на множестве натуральных чисел

Показательная функция, зависящая от натурального аргумента
Показательная функция f(n) = an, с основанием a, зависящая от натурального аргумента n – это произведение n множителей, каждый из которых равен a:
a n = a ⋅ a ⋅ a⋅ ⋅ ⋅ ⋅ an раз.
Здесь a ∈ R, n ∈ N.
Свойства показательной функции, зависящей от натурального аргумента
При x, y ∈ N
показательная функция обладает следующими свойствами, вытекающих из правил умножения чисел:
(1.1)   a x > 0  при  a > 0;
(1.2)   строго возрастает при a > 1 и строго убывает при 0 < a < 1;
(1.3)   a x + y = a x ⋅ a y;
(1.4)   ( a x ) y = a x ⋅ y = ( a y ) x;
(1.5)   (a ⋅ b) x = a x ⋅ b x.

Определение на множестве целых чисел

Если положить:
(1.6)   a 0 = 1,
(1.7)   a –x = 1a x,
то показательная функция становится определенной и для целых чисел. При этом свойства (1.1) – (1.5) по прежнему выполняются, в которых x, y ∈ Z, a ≠ 0. Подробнее ⇓

Определение на множестве рациональных чисел

Если положить:
(1.8)   a m / n = n √ a m ,
где m ∈ Z,  n ∈ N, то показательная функция становится определенной и для рациональных чисел x = m / n. При этом выполняются свойства (1.1) - (1.7). В них x, y ∈ Q, a > 0. Подробнее ⇓

Определение на множестве действительных чисел

Далее, основываясь на свойствах показательной функции (1.1) - (1.8), определенной на множестве рациональных чисел, мы определяем эту функцию на множестве действительных чисел и даем доказательство ее свойств.

Лемма
Пусть последовательность рациональных чисел {rn} сходится к действительному числу x:
limn → ∞ rn = x.
И пусть a > 0.
Тогда существует предел последовательности {a rn}:
limn → ∞ a rn,
и этот предел может зависеть от числа x, но не зависит от последовательности {rn}.
Доказательство

Основываясь на этой лемме, можно определить показательную функцию, зависящую от действительного аргумента.

Определение
Показательная функция
Пусть a > 0; a, x ∈ ℝ.
Показательная функция f(x) = ax с основанием a – это предел последовательности
a x = limn → ∞ a rn,
где {rn} есть произвольная последовательность рациональных чисел, стремящаяся к x:
limn → ∞ rn = x.

Это определение справедливо и в случае, если x является рациональным числом. При этом a x совпадает со значением показательной функции, определяемом на множестве рациональных чисел. Чтобы убедиться в этом, достаточно в качестве последовательности {rn} взять последовательность с постоянными членами rn = x ∈ Q.

Теорема. Свойства показательной функции

Пусть a, b, x, x1, x2 – действительные числа.
Пусть a > 0, b > 0.
Показательная функция y = a x имеет на множестве действительных чисел следующие свойства:
(R.0)   определена, при a > 0, для всех x : –∞ < x < +∞
(R.1)   при a ≠ 1 имеет множество значений y : 0 < y < +∞;
(R.2)   строго возрастает при a > 1, строго убывает при 0 < a < 1, является постоянной y = 1 при a = 1;
(R.3)   a x1 + x2 = a x1 ⋅ a x2;
(R.3*)   a x1 – x2 = a x1a x2;
(R.4)   ( a x1 ) x2 = a x1 ⋅ x2 = ( a x2 ) x1;
(R.5)   (a ⋅ b) x = a x ⋅ b x;
(R.5*)   ( ab ) x = a xb x;
(R.6)   a 0 = 1;
(R.7)   a –x = 1a x;
(R.8)   непрерывна для всех x : –∞ < x < +∞;
(R.9)   limx → –∞ a x = 0,  limx → +∞ a x = +∞   при a > 1;
limx → –∞ a x = +∞,  limx → +∞ a x = 0   при 0 < a < 1.
Доказательство

Доказательство свойств на множестве целых чисел

Исследуем вопрос – что будет, если для функции, обладающей свойствами (1.3) – (1.5), присвоить отрицательные значения аргумента? Положим
y = a –n.
Умножим это уравнение на a n + 1 и воспользуемся свойством (1.3):
ya n + 1 = a –n a n + 1 = a –n + n + 1 = a 1 = a.
Поскольку ya n + 1 = ya n a, то мы получаем:
ya n a = a.
Отсюда y = 1a n, или
a –n = 1a n.
В частности, a 0 = a n – n = a n a –n = a na n = 1.

Таким образом, свойства (1.3) – (1.5) выполняются для отрицательных и нулевого значения n, если положить:
a –n = 1a n;
a 0 = 1.
Тем самым мы определили значения показательной функции для целых чисел. Однако это возможно не для всех значений основания a. Поскольку деление на нуль не возможно, то a ≠ 0.

Доказательство свойств на множестве рациональных чисел

Теперь рассмотрим вопрос об определении показательной функции для рациональных значений аргумента. Пусть r ∈ Q есть рациональное число. Его можно представить в виде дроби:
r = mn,
где m ∈ Z – целое, n ∈ N – натуральное.

Возьмем самый простой случай. Пусть m = 1. Рассмотрим уравнение:
y = a 1n.
Умножим его левую и правую части на себя n раз. То есть возведем в степень n и применим свойство (1.4):
y n = ( a 1n ) n = a nn = a 1 = a;
(Q.1)   y n = a.
Таким образом, y = a 1n есть корень степени n из a:
a 1n = n √ a .
Для любого n ∈ N и для a ≥ 0, существует единственное решение уравнения (Q.1) в области действительных чисел (см. «Доказательство существования и единственности корня степени n»).

Далее мы используем свойства корней:
(Q.2)   ( a 1n ) m = ( a m ) 1n;
(Q.3)   ( a 1n1 ) 1n2 = a 1n1 n2.
(Q.4)   (ab) 1n = a 1n b 1n.
(Q.5)   1a 1n = ( 1a ) 1n.

Свойство (Q.2) выполняется при m > 0. Покажем, что оно также справедливо и при m < 0. При доказательстве мы будем использовать (1.1) – (1.7) для целых значений x и свойства (Q.2) – (Q.5) с m > 0 для корней.
Пусть m < 0,  m ∈ Z. Тогда
( a 1n ) m = ( a 1n )  –  | m |  = 1( a 1n )  | m |  = ( 1a 1n )  | m |  = ( ( 1a ) 1n )  | m |  =
 ( 1a )  | m | n = ( ( 1a )  | m |  ) 1n = ( a  –  | m |  ) 1n = (a m) 1n.
Итак, (Q.2) справедливо и для m < 0,  m ∈ Z. То есть оно выполняется для целых m и натуральных n.

В силу свойства (Q.2), мы можем определить значения показательной функции для рациональных значений аргумента:
a mn = ( a 1n ) m = ( a m ) 1n.

Используя свойства (1.3) – (1.5) для целых значений аргумента и свойства корней (Q.2) – (Q.4), можно доказать, что (1.3) – (1.5) выполняются и для рациональных значений аргумента показательной функции.

Докажем свойство (1.3). Поскольку x и y рациональные, то их можно выразить через целые mx,  my и натуральные nx,  ny числа: x = mxnx,  y = myny. Тогда
a x + y = a mxnx + myny = a mx ny + my nxnx ny = ( a 1nx ny ) (mx ny + my nx) = ( a 1nx ny ) mx ny ⋅ ( a 1nx ny ) my nx =
 a mx nynx ny ⋅ a my nxnx ny = a mxnx ⋅ a myny = a x ⋅ a y.

Докажем свойство (1.4).
(a x) y = ( a mxnx ) myny = ( ( ( a 1nx ) mx ) 1ny ) my = ( ( ( a 1nx ) 1ny ) mx ) my = ( a 1nx ny ) mx my =
 a mx mynx ny = a mxnx ⋅ myny = a x ⋅ y.

Докажем свойство (1.5). Пусть x = mn. Тогда
(a ⋅ b) x = (a ⋅ b) mn = ( (a ⋅ b) 1n ) m = ( a 1n ⋅ b 1n ) m = ( a 1n ) m ⋅ ( b 1n ) m =
 a mn ⋅ b mn = a x ⋅ b x.

Доказательство леммы

Лемма
Пусть последовательность рациональных чисел {rn} сходится к действительному числу x:
limn → ∞ rn = x.
И пусть a > 0.
Тогда существует предел последовательности {a rn}:
limn → ∞ a rn,
и этот предел может зависеть от числа x, но не зависит от последовательности {rn}.
Доказательство

1. Докажем существование предела
limn → ∞ a rn.

Поскольку последовательность {rn} сходится, то для нее выполняется условие Коши. Это означает, что имеется такая функция N(ε), при которой для любого ε > 0 выполняется неравенство:
(Л.1)    | rn – rm |  < ε  при  n, m > N(ε).

1.1. Пусть a > 1.
Докажем, что условие Коши выполняется для последовательности {a rn}.

Подставим в (Л.1) ε = 1. Тогда
(Л.2)    | rn – rm |  < 1  при  n, m > N(1).
Применим лемму Бернулли. При n, m > N(1) имеем:
(Л.3)    | a rn – a rm |  = a rm | a rn – rm – 1 |  ≤ a rm 2 | rn – rm | (a – 1).

Поскольку последовательность {rn} сходится к конечному числу, то она ограничена некоторым числом rmax:
rn ≤ rmax для всех n.
Поскольку показательная функция, определенная на множестве рациональных чисел строго возрастает при a > 1, то
a rm ≤ a rmax для всех m.

Обозначим M = a rmax. В силу свойства (1.1), M > 0. Подставим в (Л.3) и применим условие Коши (Л.1). При n, m > max(N(ε), N(1)) имеем:
 | a rn – a rm |  ≤ 2M | rn – rm | (a – 1) < 2Mε(a – 1).
Если положить 2Mε(a – 1) = ε1, то
 | a rn – a rm |  < ε1 при n, m > max(N(ε1 / (2M(a – 1))), N(1)).

Итак, мы нашли такую функцию N1 (ε1) = max(N(ε1 / (2M(a – 1))), N(1)), при которой для любого ε1 > 0,
 | a rn – a rm |  < ε1 при n, m > N1 (ε1).
То есть выполняется условие Коши для последовательности {a rn}. Тогда на основании критерия Коши, эта последовательность сходится.

1.2. Теперь рассмотрим случай 0 < a < 1. Сведем его к предыдущему. Положим b = 1 / a. Тогда b > 1, a rn = 1 / b rn. Мы доказали, что последовательность {b rn} сходится. Единицу в числителе можно рассматривать как элемент последовательности с постоянными членами, равными 1. Тогда, на основании арифметических свойств, существует предел частного последовательностей a rn = 1 / b rn.

2. Теперь докажем, что предел не зависит от выбора последовательности {rn}.
Пусть мы имеем две, сходящиеся к x, последовательности {rn} и {r ′n}:
limn → ∞ rn = limn → ∞ r ′n = x.
Мы доказали, что существуют пределы
A = limn → ∞ a rn  и  B = limn → ∞ a r ′n.
Теперь нам нужно доказать, что A = B.

Составим последовательность {qn} так, чтобы последовательности {rn} и {r ′n} являлись ее подпоследовательностями. Для нечетных n, положим q2n – 1 = rn; для четных: q2n = r ′n. Последовательность {qn} имеет предел limn → ∞ qn = x. Тогда, согласно доказанному выше, существует предел limn → ∞ a qn. Далее замечаем, что последовательности {a rn} и {a r ′n} являются подпоследовательностями последовательности {a qn}. Поскольку предел любой подпоследовательности равен пределу последовательности, то
limn → ∞ a rn = limn → ∞ a r ′n = limn → ∞ a qn.

Лемма доказана.

Использованная литература:
О.И. Бесов. Лекции по математическому анализу. Часть 1. Москва, 2004.
Л.Д. Кудрявцев. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 2003.
С.М. Никольский. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 1983.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню