Методы решения физико-математических задач

Показательная функция – свойства, графики, формулы

Формулы с показательной функцией
Приведены справочные данные по показательной функции – основные свойства, графики и формулы. Рассмотрены следующие вопросы: область определения, множество значений, монотонность, обратная функция, производная, интеграл, разложение в степенной ряд и представление посредством комплексных чисел.

Определение

Показательная функция
– это обобщение произведения n чисел, равных a :
y(n) = an = a·a·a···a ,
на множество действительных чисел x :
y(x) = ax .
Здесь a – фиксированное действительное число, которое называют основанием показательной функции.
Показательную функцию с основанием a также называют экспонентой по основанию a.

Обобщение выполняется следующим образом.
При натуральном x = 1, 2, 3,... , показательная функция является произведением x множителей:
a x  = a ⋅ a ⋅ a⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ax раз . 
При этом она обладает свойствами (1.5-8) (см. ниже ⇓), которые следуют из правил умножения чисел. При нулевом и отрицательных значениях целых чисел x ∈ Z ,  показательную функцию определяют по формулам (1.9-10). При дробных значениях x = m/n рациональных чисел, x ∈ Q ,  ее определяют по формуле(1.11). Для действительных x ∈ R ,  показательную функцию определяют как предел последовательности:
a x  = limn → ∞ a rn   , 
где {rn } – произвольная последовательность рациональных чисел, сходящаяся к x : limn → ∞ rn  = x . 
При таком определении, показательная функция определена для всех x : – ∞ < x < + ∞ ,  и удовлетворяет свойствам (1.5-8), как и для натуральных x .

Строгая математическая формулировка определения показательной функции и доказательство ее свойств приводится на странице «Определение и доказательство свойств показательной функции».

Свойства показательной функции

Показательная функция y = ax , имеет следующие свойства на множестве действительных чисел (a, x, y ∈ R):
(1.1)   определена и непрерывна, при a > 0 ,  для всех x : – ∞ < x < + ∞ ; 
(1.2)   при a ≠ 1 имеет множество значений y : 0 < y < + ∞ ; 
(1.3)   строго возрастает при a > 1 ,  строго убывает при 0 < a < 1 , 
является постоянной y = 1 при a = 1 ; 
(1.4)   limx →  – ∞ a x  = 0,  limx →  + ∞ a x  = + ∞   при a > 1 ; 
limx →  – ∞ a x  = + ∞,  limx →  + ∞ a x  = 0   при 0 < a < 1 ; 
(1.5)   a x + y  = a x  ⋅ a y  ; 
(1.6)   ( a x  ) y  = a x ⋅ y  = ( a y  ) x  ; 
(1.7)   (a ⋅ b ) x  = a x  ⋅ b x  ; 
(1.8)   ( ab  ) x  = a x b x   ; 
(1.9)   a 0  = 1 ; 
(1.10)   a – x  = 1a x   ; 
(1.11)   a m / n  = n √ a m   = (n √ a  ) m  ,    m, n ∈ N . 

Другие полезные формулы.
a loga x  = x (x > 0 );  loga (a x ) = x . 
Формула преобразования к показательной функции с другим основанием степени:
a x  = ( b logb a  ) x  = b x ⋅ logb a 
При b = e , получаем выражение показательной функции через экспоненту:
a x  = e x ⋅ ln a 

Частные значения

y(0 ) = a 0  = 1 ,    y(1 ) = a 1  = a ,    y(2 ) = a 2  ,    y(– 1 ) = a – 1  = 1a  ,    y(– 2 ) = a – 2  = 1a 2   . 

Графики показательной функции

Графики показательной функции
Графики показательной функции y = ax при различных значениях основания a .

На рисунке представлены графики показательной функции
y(x) = a x
для четырех значений основания степени: a = 2 , a = 8 , a = 1/2 и a = 1/8 . Видно, что при a > 1 показательная функция монотонно возрастает. Чем больше основание степени a , тем более сильный рост. При 0 < a < 1 показательная функция монотонно убывает. Чем меньше показатель степени a , тем сильнее убывание.

Возрастание, убывание

Показательная функция, при a ≠ 1 является строго монотонной, поэтому экстремумов не имеет. Основные ее свойства представлены в таблице.

  y = ax , a > 1 y = ax , 0 < a < 1
Область определения – ∞ < x < + ∞ – ∞ < x < + ∞
Область значений 0 < y < + ∞ 0 < y < + ∞
Монотонность монотонно возрастает монотонно убывает
Нули, y = 0 нет нет
Точки пересечения с осью ординат, x = 0 y = 1 y = 1
limx →  + ∞ a x  + ∞ 0
limx →  – ∞ a x  0 + ∞

Обратная функция

Обратной для показательной функции с основанием степени a является логарифм по основанию a.

Если    y = a x ;  (a > 0,  a ≠ 1 ) ,    то
x = loga y . 
Если    y = loga x;  (x > 0,  a > 0, a ≠ 1 ) ,    то
x = a y  . 

Дифференцирование показательной функции

Для дифференцирования показательной функции, ее основание нужно привести к числу e , применить таблицу производных и правило дифференцирования сложной функции.

Для этого нужно использовать свойство логарифмов
a = e ln a  и формулу из таблицы производных:
( e x  ) ′ = e x  . 

Пусть задана показательная функция:
y(x ) = a x  . 
Приводим ее к основанию e :
y = a x  = ( e ln a  ) x  = e ln a⋅ x 
Применим правило дифференцирования сложной функции. Для этого вводим переменную
z = ln a ⋅ x
Тогда
y = a x  = e ln a ⋅ x  = e z 
Из таблице производных имеем (заменим переменную x на z):
dydz = ( e z  ) ′z = e z  . 
Поскольку ln a – это постоянная, то производная z по x равна
dzdx = (ln a⋅ x ) ′ = ln a ⋅ (x ) ′ =  ln a ⋅ 1 = ln a . 
По правилу дифференцирования сложной функции:
dydx = dydz ⋅ dzdx = e z  ⋅ ln a =  a x  ⋅ ln a . 

Производная показательной функции

( a x  ) ′ = ln a ⋅ a x  . 
Производная n-го порядка:
( a x  ) (n )  = ln n a ⋅ a x  . 
Вывод формул > > >

Пример дифференцирования показательной функции

Найти производную функции
y = 35x

Решение

Выразим основание показательной функции через число e .
3 = e ln 3
Тогда
y = 3 5x  = e ln 3⋅ 5x  = e 5 ln 3⋅ x  . 
Вводим переменную
z = 5 ln 3 ⋅ x . 
Тогда
y = 3 5x  = e 5 ln 3⋅ x  = e z 
Из таблицы производных находим:
dydz = (e z ) ′ = e z  . 
Поскольку 5ln 3 – это постоянная, то производная z по x равна:
dzdx = (5 ln 3⋅ x ) ′ = 5 ln 3⋅ (x ) ′ =  5 ln 3⋅ 1 = 5 ln 3 . 
По правилу дифференцирования сложной функции имеем:
dydx = dydz ⋅ dzdx = e z  ⋅ 5 ln 3=  3 5x  ⋅ 5 ln 3 . 

Ответ

dydx = 5 ln 3⋅ 3 5x 

Интеграл

∫ a x  dx = ∫ e ln a⋅ x  dx =  1ln a ∫ e ln a⋅ x  d(ln a⋅ x ) =  1ln a e ln a⋅ x  + C = 1ln a a x  + C . 

Выражения через комплексные числа

Рассмотрим функцию комплексного числа z:
f(z) = a z
где z = x + iy ;     i2 = – 1 .
Выразим комплексную постоянную a через модуль r и аргумент φ :
a = r e i φ
Тогда
 f (z ) = ( re iφ  ) x + iy  =  r x + iy  e iφ(x + iy )  = r x  r iy  e iφx – φy  = 
r x ( e ln r  ) iy e iφx e – φy  =  r x e iy ln r  e iφx e – φy  =  r x e – φy  e i(y ln r+ φx )  = 
r x e – φy  [cos (y ln r+ φx ) +  i sin (y ln r+ φx )] . 
Аргумент φ определен не однозначно. В общем виде
φ = φ0 + 2πn ,
где n – целое. Поэтому функция f(z) также не однозначна. Часто рассматривают ее главное значение
 f (x ) =  r x e – φ0 y  [cos (y ln r+ φ0 x ) +  i sin (y ln r+ φ0 x )] . 

Разложение в ряд

a x  = e ln a⋅ x  = ∞Σn = 0 (ln a⋅ x ) n n! = 
1 + ln a⋅ x + (ln a⋅ x ) 2 2! +  (ln a⋅ x ) 3 3! + (ln a⋅ x ) 4 4! +  ...   = 
1 + ln a⋅ x + ln 2 a2! ⋅ x 2  +  ln 3 a3! ⋅ x 3  + ln 4 a4! ⋅ x 4  +  ...   +  ln k ak! ⋅ x k  +  ... . 

Использованная литература:
И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов, «Лань», 2009.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню