Методы решения физико-математических задач

Свойства показательной функции

Свойства показательной функции - теорема
Доказательство теоремы о свойствах показательной функции на множестве действительных чисел. Свойства включают: область определения, множество значений, непрерывность, формулы с показательной функцией.

Теорема. Свойства показательной функции

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

Доказательство теоремы

При доказательстве мы считаем, что свойства показательной функции на множестве рациональных чисел известны. Их вывод изложен на странице «Определение и свойства показательной функции».

Поэтому нам нужно доказать свойства функции a x, определенной на множестве действительных чисел: x ∈ R. Для этого мы используем определение показательной функции, как предела последовательности:
a x = limn → ∞ a rn,
где {rn} есть произвольная последовательность рациональных чисел, стремящаяся к x:
limn → ∞ rn = x.

Заметим, что для доказательства свойств показательной функции, нам достаточно выбрать любую, удобную для нас последовательность рациональных чисел {rn}, сходящуюся к x. Действительно, согласно лемме, значение a x не зависит от выбора последовательности.

Порядок доказательств свойств показательной функции отличается от порядка, в котором расположены свойства. Это сделано для удобства изложения. Последующие пункты могут использовать свойства, доказанные в первую очередь.

ax > 0

А. Сначала докажем, что
(С.А.1)   ax > 0.
Согласно определению,
a x = limn → ∞ a rn.
Поскольку последовательность рациональных чисел {rn} сходится к конечному числу x, то она ограничена:
 | rn |  ≤ M,   M > 0,   M ∈ Q.
Поскольку функция  f (r) = a r, определенная на множестве рациональных чисел монотонна (см. (1.2)), то она достигает своего минимального значения на границе рассматриваемого отрезка. Тогда
(С.А.2)   a rn ≥ a ±M.
Здесь при 0 < a < 1 нужно взять знак “плюс”. При a > 1 – знак “минус”. При a = 1, функция постоянна, a r = 1. Можно взять любой знак. Выполним в (С.А.2) предельный переход n → ∞, пользуясь свойствами пределов последовательностей, связанными неравенствами и определением показательной функции:
limn → ∞ a rn ≥ a ±M;
a x ≥ a ±M.
Согласно свойству (1.1), a ±M > 0. Тогда и
a x > 0.

Область определения

0. ⇑ Докажем, что показательная функция
определена, при a > 0, для всех действительных чисел x : –∞ < x < +∞.
Поскольку показательная функция a r, при a > 0, определена для всех рациональных чисел r, и поскольку для любого действительного числа x существует последовательность рациональных чисел, сходящихся к x, то, согласно определению, показательная функция определена для всех действительных чисел {x : –∞ < x < +∞}.

6. a0 = 1

6. ⇑ a 0 = 1.
Здесь аргумент является рациональным числом. Мы считаем, что свойства показательной функции на множестве рациональных чисел известны. Мы добавили этот пункт, чтобы объединить все свойства вместе.

2. Строгая монотонность

2. ⇑ Докажем строгую монотонность показательной функции при a ≠ 1. То есть, если x1 < x2, то
a x1 < a x2 при a > 1;
a x1 > a x2 при 0 < a < 1;
a x1 = a x2 = 1 при a = 1.

Итак, пусть x1 < x2. Выберем рациональные числа r и ρ, удовлетворяющие неравенствам:
x1 ≤ r < ρ ≤ x2.
Возьмем последовательности {rn} и {ρn}, сходящиеся к x1 и x2:
limn → ∞ rn = x1,   limn → ∞ ρn = x2,
элементы которых удовлетворяют неравенствам:
rn ≤ r,   ρn ≥ ρ.
Тогда
rn ≤ r < ρ ≤ ρn.

2.1. Пусть a > 1.
Поскольку показательная функция, определенная на множестве рациональных чисел, при a > 0, строго возрастает, то
(С.2.1)   a rn ≤ a r < a ρ ≤ a ρn.
Применим свойства пределов последовательностей, связанных неравенствами и определение показательной функции:
limn → ∞ a rn ≤ a r < a ρ ≤ limn → ∞ a ρn;
a x1 ≤ a r < a ρ ≤ a x2.
Отсюда a x1 < a x2.

2.2. Пусть 0 < a < 1.
В этом случае, показательная функция, определенная на множестве рациональных чисел, строго убывает. Доказательство такое же, как и в пункте 2.1 ⇑, только начиная с (С.2.1), нужно поменять знаки неравенств:
(С.2.2)   a rn ≥ a r > a ρ ≥ a ρn;
limn → ∞ a rn ≥ a r > a ρ ≥ limn → ∞ a ρn;
a x1 ≥ a r > a ρ ≥ a x2;
a x1 > a x2.

2.3. Пусть a = 1.
Показательная функция  f (r) = 1 r, определенная на множестве рациональных чисел r ∈ Q, является постоянной 1 r = 1. Последовательность {1 rn} является последовательностью из постоянных элементов. Поэтому ее предел также равен единице:
1 x = limn → ∞ 1 rn = 1;
1 x = 1  для всех x.

3. ax1+x2 = ax1 · ax2

3. ⇑ Докажем, что
a x1 + x2 = a x1 ⋅ a x2.
Пусть {rn} и {ρn} – произвольные последовательности рациональных чисел, сходящиеся к x1 и x2:
limn → ∞ rn = x1,   limn → ∞ ρn = x2.
Применим свойство предела суммы для последовательности {rn + ρn}:
(С.3.1)   limn → ∞(rn + ρn) = x1 + x2.
Рассмотрим последовательность {a rn ⋅ a ρn}. Поскольку, согласно лемме, {a rn} и {a ρn} сходятся, то применим свойство предела произведения последовательностей иопределение показательной функции:
limn → ∞(a rn ⋅ a ρn) = limn → ∞ a rn ⋅ limn → ∞ a ρn = a x1 ⋅ a x2.
С другой стороны, применяя (С.3.1) и свойство (1.3) показательной функции от рационального аргумента, имеем:
limn → ∞(a rn ⋅ a ρn) = limn → ∞ a rn + ρn = a x1 + x2.
Отсюда
a x1 + x2 = a x1 ⋅ a x2.

5. (a·b)x = ax · bx

5. ⇑ Докажем, что
(a ⋅ b) x = a x ⋅ b x.
Все рассуждения и обозначения такие же, что и при доказательстве свойства 3 ⇑. Аналогичным образом, применяя свойство (1.5) для рационального аргумента, имеем:
(a ⋅ b) x = limn → ∞(a ⋅ b) rn = limn → ∞(a rn ⋅ b rn) = limn → ∞ a rn ⋅ limn → ∞ b rn = a x ⋅ b x.

5*. (a/b)x = ax / bx

5*. ⇑ Докажем, что
( ab ) x = a xb x.
Используем следующее свойство показательной функции от рационального аргумента: ( ab ) rn = a rnb rn. Доказываем тем же способом, что и в предыдущем случае.
( ab ) x = limn → ∞( ab ) rn = limn → ∞ a rnb rn = limn → ∞ a rnlimn → ∞ b rn = a xb x.

7. a–x = 1 / ax

7. ⇑ Докажем, что
a –x = 1a x.
Аналогично предыдущему, имеем:
a –x = limn → ∞ a –rn = limn → ∞ 1a rn = limn → ∞ 1limn → ∞ a rn = 1a x.
Здесь мы учли, что a rn ≠ 0 и применили свойство предела частного последовательностей.

3*. ax1–x2 = ax1 / ax2

3*. ⇑ Докажем, что
a x1 – x2 = a x1a x2.
Применяя доказанные выше свойства 3 ⇑ и 7 ⇑, имеем:
a x1 – x2 = a x1 + (–x2) = a x1 a –x2 = a x1a x2.

8. Непрерывность

8. ⇑ Докажем, что показательная функция
непрерывна для всех x : –∞ < x < +∞.

8.1. Пусть a > 1.
Воспользуемся определением непрерывности функции в терминах приращений. Применяем свойство ax > 0 ⇑ и 3 ⇑
 | a x + Δx – a x |  = a x | a Δx – 1 | .
Поскольку Δx есть сколь угодно малая величина, то считаем, что  | Δx |  ≤ 1. Применим лемму Бернулли для действительных чисел:
 | a Δx – 1 |  ≤ 2 | Δx | (a – 1).
Тогда
 | a x + Δx – a x |  ≤ 2a x | Δx | (a – 1).
Применяем свойство пределов функций, связанных неравенством:
limΔx → 0 | a x + Δx – a x |  ≤ limΔx → 0 2a x | Δx | (a – 1) = 2a x (a – 1) limΔx → 0 | Δx |  = 0;
limΔx → 0 | a x + Δx – a x |  ≤ 0;
limΔx → 0 a x + Δx = a x.

8.2. Пусть 0 < a < 1.
Введем число b = 1a. Тогда b > 1.
Воспользуемся свойством 5* ⇑, и учтем, что 1 x = 1 – постоянная функция:
a x = ( 1b ) x = 1 xb x = 1b x.
Рассмотрим функцию a x = 1b x как сложную, составленную из двух функций:
1b x = 1t,  t = b x. Выше мы доказали, что функция t = b x непрерывна для всех x. Функция  f (t) = 1t непрерывна при t ≠ 0. Это можно доказать, применяя арифметические свойства предела функции:
limΔt → 0  f (t + Δt) = limΔt → 0 1t + Δt = 1limΔt → 0(t + Δt) = 1t + 0 = 1t =  f (t).
Выше мы доказали ⇑, что t = b x ≠ 0. Тогда согласно теореме о непрерывности сложной функции, функция a x = 1b x непрерывна для всех x.

8.3. Пусть a = 1.
Выше мы показали ⇑, что функция 1 x является постоянной функцией: 1 x = 1. Поэтому она является непрерывной для всех x.

4. ax1·x2 = (ax1)x2

4. ⇑ Докажем, что
a x1 ⋅ x2 = ( a x1 ) x2.

4.1. Рассмотрим случай x2 > 0.
Пусть m, n – натуральные числа. Тогда
( a x ) m = a x ⋅ a x ⋅ a x ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ a xm раз.
Применяя свойство 3 ⇑, имеем:
( a x ) m = a x + x + ⋅ ⋅ ⋅ + x = a mx;
(С.4.1)   ( a x ) m = a mx.

Теперь исследуем, что такое a x / n. Введем обозначение:
(С.4.2)   b = a x / n.
Возведем в n-ю степень. То есть умножим левую и правую части на себя n раз, и применим (С.4.1):
b n = ( a x / n ) n = a nxn = a x;
b n = a x.
Поскольку ax > 0 ⇑, то b есть корень степени n из положительного числа a x:
b = ( a x ) 1 / n. Подставляя (С.4.2), имеем:
(С.4.3)   ( a x ) 1 / n = a x / n.

Применяя свойства (С.4.1) и (С.4.3), для произвольного положительного рационального числа r = m / n получаем:
( a x ) r = ( a x ) m / n = ( ( a x ) m ) 1 / n = ( a mx ) 1 / n = a mxn = a rx;
(С.4.4)   ( a x ) r = a rx.

Пусть {rn} есть произвольная последовательность рациональных чисел, сходящаяся к x2:
(С.4.5)   x2 = limn → ∞ rn.
Используем (С.4.4):
( a x1 ) x2 = limn → ∞( a x1 ) rn = limn → ∞ a x1 rn.
Рассмотрим последовательность {x1 ⋅ rn}. Учитывая (С.4.5), и применяя арифметические свойства сходящихся последовательностей, получаем, что {x1 ⋅ rn} сходится к x1 ⋅ x2:
limn → ∞(x1 rn) = x1limn → ∞ rn = x1 ⋅ x2.
Выше мы доказали, что показательная функция непрерывна ⇑. Используя определение непрерывности функции по Гейне, получаем:
limn → ∞ a x1 rn = a x1 x2;
( a x1 ) x2 = a x1 x2.
Что и требовалось доказать.

4.2. Рассмотрим случай x2 < 0.
Тогда –x2 > 0. Применяя свойство 7 ⇑, имеем:
(a x1) x2 = (a x1)  – (–x2) = 1(a x1) –x2 = 1a –x1 x2 = a x1 x2.

4.3. Теперь пусть x2 = 0.
Применяем (С.6) Тогда a x1 x2 = a 0 = 1.
Поскольку ax1 > 0 ⇑, то
(a x1) x2 = (a x1) 0 = 1.
Таким образом и в этом случае
( a x1 ) x2 = a x1 x2.

9. Пределы при x → ±∞

9. ⇑ Докажем, что
limx → –∞ a x = 0,  limx → +∞ a x = +∞   при a > 1;
limx → –∞ a x = +∞,  limx → +∞ a x = 0   при 0 < a < 1.
9.1. Пусть a > 1.
9.1.1. Докажем, что
limx → +∞ a x = +∞.
Поскольку функция y = a x монотонна ⇑, то согласно теореме о пределе монотонной функции, она имеет конечный или бесконечный предел
limx → +∞ a x = A.
Поскольку функция имеет предел A, то согласно определению предела функции по Гейне, для любой последовательности {xn}, сходящейся к +∞, последовательность {a xn} сходится к A:
limn → ∞ a xn = A.
Возьмем последовательность натуральных чисел xn = n. Она сходится к +∞: limn → ∞ n = +∞. Тогда
A = limn → ∞ a n.

Для вычисления этого предела, применим неравенство Бернулли:
a n = (1 + a – 1) n ≥ 1 + (a – 1)n.
При a – 1 > 0, правая часть неравенства стремится к +∞. Применяя свойство неравенств бесконечно больших последовательностей, находим, что
limn → ∞ a n = +∞.
Отсюда A = +∞,  limx → +∞ a x = +∞.

9.1.2. Докажем, что
limx → –∞ a x = 0.
Сделаем подстановку x = –t. Применим свойство (С.7)   и свойства бесконечно малых и бесконечно больших функций:
limx → –∞ a x = limt → +∞ a –t = limt → +∞ 1a t = 1limt → +∞ a t = 1+∞ = 0.

9.2. Пусть 0 < a < 1.
Сделаем подстановку b = 1 / a. Тогда b > 1,
limx → –∞ a x = limx → –∞( 1b ) x = limx → –∞ 1b x = 1+0 = +∞;
limx → +∞ a x = limx → +∞( 1b ) x = limx → +∞ 1b x = 1+∞ = 0.

1. Множество значений

1. ⇑ Докажем, что при a ≠ 1 показательная функция имеет множество значений y : 0 < y < +∞.
Рассмотрим функцию y = a x на отрезке [x1, x2], где x1 < x2 – произвольные числа. Поскольку функция строго монотонна ⇑ и определена для всех x, то она достигает минимума и максимума на концах отрезка – в точках x1 и x2. Поскольку функция непрерывна ⇑, то согласно теореме Больцано – Коши о промежуточном значении, она принимает все значения из отрезка y ∈ [a x1, a x2], если a > 1 и y ∈ [a x2, a x1], если 0 < a < 1. Устремляя x1 → –∞ и x2 → +∞, и используя найденные выше пределы ⇑ получаем, что множеством значений показательной функции является множество положительных чисел y : 0 < y < +∞.

Теорема 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:

▲
Меню