Методы решения физико-математических задач

Степенная функция и корни - определение, свойства и формулы

Свойства степенной функции
Приведены основные свойства степенной функции, включая формулы и свойства корней. Представлены производная, интеграл, разложение в степенной ряд и представление посредством комплексных чисел степенной функции.

Определение

Степенная функция с показателем степени p
– это функция  f(x) = x p , значение которой в точке x равно значению показательной функции с основанием x в точке p .
Кроме этого,  f(0) = 0 p = 0  при  p > 0 .

Для натуральных значений показателя p = n ∈ N ,  степенная функция есть произведение n чисел, равных x :
 f (x ) = x n  = x ⋅ x ⋅ x ⋅ x ⋅  ⋅  ⋅ xn раз . 
Она определена для всех действительных x ∈ R . 

Для положительных рациональных значений показателя p = n / m,  n, m ∈ N ,  степенная функция есть произведение n корней степени m из числа x :
 f (x ) = x n / m  =  m √ x  ⋅ m √ x  ⋅ m √ x  ⋅ m √ x  ⋅  ⋅  ⋅ m √ x n раз  . 
Для нечетных m , она определена для всех действительных x . Для четных m , степенная функция определена для неотрицательных x ≥ 0 . 

Для отрицательных p < 0 ,  степенная функция определяется по формуле:
x – p  = 1x p   . 
Поэтому она не определена в точке x = 0 . 

Для иррациональных значений показателя p , степенная функция определяется по формуле:
x p  = a p loga x  , 
где a – произвольное положительное число, не равное единице:  a > 0,  a ≠ 1 . 
При p > 0 ,  она определена для x ≥ 0 . 
При p < 0 ,  степенная функция определена для x > 0 . 

Непрерывность. Степенная функция непрерывна на своей области определения.

Свойства и формулы степенной функции при x ≥ 0

Здесь мы рассмотрим свойства степенной функции при неотрицательных значениях аргумента x . Как указано выше, при некоторых значениях показателя p , степенная функция определена и для отрицательных значений x . В этом случае, ее свойства можно получить из свойств при x ≥ 0 ,  используя четность или нечетность. Эти случаи подробно рассмотрены и проиллюстрированы на странице «Степенная функция, ее свойства и графики».

Степенная функция,   y = x p , с показателем p имеет следующие свойства:
(1.1)   определена и непрерывна на множестве
{x : x ≥ 0 } при p > 0 , 
{x : x > 0 } при p < 0 ; 
(1.2)   имеет множество значений
{y : y ≥ 0 } при p > 0 , 
{y : y > 0 } при p < 0 ; 
(1.3)   строго возрастает при p > 0 , 
строго убывает при p < 0 ; 
(1.4)   0 p  = 0,  limx →  + ∞ x p  = + ∞   при p > 0 ; 
limx → 0 + 0 x p  = + ∞,  limx →  + ∞ x p  = 0   при p < 0 ; 
(1.5)   x p + q  = x p  ⋅ x q  ; 
(1.5*)   x p – q  = x p x q   ; 
(1.6)   ( x p  ) q  = x p ⋅ q  = ( x q  ) p  ; 
(1.7)   (x1  ⋅ x2 ) p  = x p1  ⋅ x p2  ; 
(1.7*)   ( x1 x2   ) p  = x p1 x p2   ; 
(1.8)   x 0  = 1 ; 
(1.9)   x – p  = 1x p   . 

Доказательство свойств приводится на странице «Степенная функция (доказательство непрерывности и свойств)»

Корни – определение, формулы, свойства

Корень из числа  x  степени  n
– это число  n √ x   , возведение которого в степень  n  дает  x :
( n √ x   ) n  = x . 
Здесь n = 2, 3, 4, ... – натуральное число, большее единицы.

Также можно сказать, что корень  y = n √ x    из числа  x  степени  n – это корень (то есть решение) уравнения
y n  = x . 
Заметим, что функция y(x ) = n √ x   является обратной к функции x(y ) = y n  . 

Квадратный корень из числа  x 
– это корень степени 2:  √ x  ≡ 2 √ x   . 
Кубический корень из числа  x 
– это корень степени 3:  3 √ x   . 

Четная степень

Для четных степеней  n = 2m , корень n √ x   определен при x ≥ 0 . Часто используется формула, справедливая как для положительных, так и для отрицательных x :
2m√ x 2m   =  | x | ,   m ∈ N,   – ∞ < x < + ∞ . 
Для квадратного корня:
√ x 2   =  | x | ,   – ∞ < x < + ∞ . 

Здесь важен порядок, в котором выполняются операции – то есть сначала производится возведение в квадрат, в результате чего получается неотрицательное число, а затем из него извлекается корень (из неотрицательного числа можно извлекать квадратный корень). Если бы мы изменили порядок: ( √ x   ) 2  ,  то при отрицательных x корень был бы не определен, а вместе с ним не определено и все выражение.

Нечетная степень

Для нечетных степеней  n = 2m – 1 ,  корень n √ x   определен для всех x :
2m – 1√ – x  = –  2m – 1√ x   ; 
2m – 1√ x 2m – 1   = x . 

Свойства и формулы корней

Корень из  x  является степенной функцией:
n √ x  ≡ x 1n   . 
При x ≥ 0 имеют место следующие формулы:
x nm   = m √ x n   = ( m √ x   ) n  ; 
m √ n √ x    = m ⋅ n√ x   ; 
n √ x1 x2   = n √ x  1  ⋅ n √ x  2  ,      x1 , x2  ≥ 0 ; 
n √ x1 x2    = n √ x1   n √ x2    ,  x1  ≥ 0.  x2  > 0 . 

Эти формулы также могут быть применимы и при отрицательных значениях переменных x, x1 , x2  .  Нужно только следить за тем, чтобы подкоренное выражение четных степеней не было отрицательным.

Частные значения

Корень 0 равен 0:   n √ 0  = 0 . 
Корень 1 равен 1:   n √ 1  = 1 . 
Квадратный корень 0 равен 0:   √ 0  = 0 . 
Квадратный корень 1 равен 1:   √ 1  = 1 . 

Пример. Корень из корней

Рассмотрим пример квадратного корня из корней:
√ x √ x √ x       . 
Преобразуем внутренний квадратный корень, применяя приведенные выше формулы:
√ x √ x    = ( x ⋅ x 12   ) 12   =  x 12   ⋅ ( x 12   ) 12   = x 12   ⋅ x 12 ⋅ 12   =  x 12   ⋅ x 14   = x 12 + 14   = x 34   . 
Теперь преобразуем исходный корень:
√ x √ x √ x      = √ x ⋅ x 34    = ( x ⋅ x 34   ) 12   = x 12   ⋅ ( x 34   ) 12   = x 12   ⋅ x 34 ⋅ 12   = x 12   ⋅ x 38   = x 12 + 38   = x 78   . 
Итак,
√ x √ x √ x      = x 78   . 

Графики степенной функции

Графики степенной функции

Графики степенной функции y = x p при различных значениях показателя p .

Здесь приводятся графики функции y = x p  при неотрицательных значениях аргумента x . Графики степенной функции, определенной при отрицательных значениях x , приводятся на странице «Степенная функция, ее свойства и графики»

Обратная функция

Обратной для степенной функции с показателем p является степенная функция с показателем 1/p .

Если    y = x p  (x > 0 ) ,    то    x = y 1p   . 

( x p  ) 1p   = x

Производная степенной функции

( x p  ) ′ = p x p – 1 
Производная n-го порядка:
( x p  ) (n )  =  p (p – 1 ) (p – 2 ) ...  (p – n + 1 ) x p – n  ; 
( x n  ) (n )  = n!
Вывод формул > > >

Интеграл от степенной функции

∫ x p dx= 1p + 1 x p + 1  + C ,    p ≠ – 1 ;
∫ x – 1 dx= ∫ dxx = ln  | x |  + C . 

Разложение в степенной ряд

При   – 1 < x < 1   имеет место следующее разложение:
(1 + x ) p  = 1 + px + p(p – 1 )2! x 2  +  p(p – 1 )(p – 2 )3! x 3  +  p(p – 1 )(p – 2 )(p – 3 )4! x 4  + ... 

Выражения через комплексные числа

Рассмотрим функцию комплексного переменного z :
f(z) = z t .
Выразим комплексную переменную z через модуль r и аргумент φ   ( r = |z| ):
z = r e i φ .
Комплексное число t представим в виде действительной и мнимой частей:
t = p + i q .
Имеем:
 f (z ) = ( re iφ  ) p + iq  =  r p + iq e iφ(p + iq )  = r p r iq e iφp – φq  =  r p e iq ln r e iφp e – φq  =  r p e – φq e i(q ln r + φp )  =  r p e – φq [ cos (q ln r + φp ) +    i sin (q ln r + φp ) ]
Далее учтем, что аргумент φ определен не однозначно:
φ = φ0  + 2πk,  где k – целое , 
 f (z ) = z t  = r p e – (φ0  + 2πk )q  [ cos (q ln r + (φ0  + 2πk )p ) +    i sin (q ln r + (φ0  + 2πk )p ) ]

Рассмотрим случай, когда q = 0 , то есть показатель степени - действительное число, t = p .   Тогда
 f (z ) = z p  = r p [ cos ((φ0  + 2πk )p ) +    i sin ((φ0  + 2πk )p ) ] =  r p [ cos (φ0 p + 2πkp ) +    i sin (φ0 p + 2πkp ) ] . 

Если p - целое, то и kp - целое. Тогда, в силу периодичности тригонометрических функций:
z p  = r p [ cos (φ0 p ) + i sin (φ0 p ) ] . 
То есть показательная функция при целом показателе степени, для заданного z , имеет только одно значение и поэтому является однозначной.

Если p - иррациональное, то произведения kp ни при каком k не дают целого числа. Поскольку k пробегает бесконечный ряд значений k = 0, ±1, ±2, ±3, ... , то функция z p имеет бесконечно много значений. Всякий раз, когда аргумент z получает приращение 2 π (один оборот), мы переходим на новую ветвь функции.

Если p - рациональное, то его можно представить в виде:
p = mn  ,  где m, n - целые, не содержащие общих делителей. Тогда
kp = kmn  . 
Первые n величин, при k = k0 = 0, 1, 2, ... n-1 , дают n различных значений kp :
kp = k0 p = k0 mn  . 
Однако последующие величины дают значения, отличающиеся от предыдущих на целое число. Например, при k = k0 + n имеем:
kp = (k0  + n ) mn = k0 mn + m . 
Тригонометрические функции, аргументы которых различаются на величины, кратные 2π , имеют равные значения. Поэтому при дальнейшем увеличении k мы получаем те же значения z p , что и для k = k0 = 0, 1, 2, ... n-1 .

Таким образом, показательная функция с рациональным показателем степени p = mn  является многозначной и имеет n значений (ветвей). Всякий раз, когда аргумент z получает приращение 2π (один оборот), мы переходим на новую ветвь функции. Через n таких оборотов мы возвращаемся на первую ветвь, с которой начинался отсчет.

В частности, корень степени n имеет n значений. В качестве примера рассмотрим корень n – й степени действительного положительного числа z = x . В этом случае φ0 = 0, z = r = |z| = x , p = 1n  . 
n√ z  = z 1n   = z p  =  r p [ cos (φ0 p + 2πkp ) +    i sin (φ0 p + 2πkp ) ] =   | z |  1n  [ cos ( 2πkn  ) + i sin ( 2πkn  ) ] =  n√ x  [ cos ( 2πkn  ) + i sin ( 2πkn  ) ] . 
Так, для квадратного корня, n = 2 ,
√ z  = √ x  [ cos ( πk  ) + i sin ( πk  ) ] =  √ x  [ (– 1 ) k  + 0  ] = (– 1 ) k √ x   . 
Для четных k, (– 1)k = 1 . Для нечетных k, (– 1)k = – 1 .
То есть квадратный корень имеет два значения:   + √ x     и   – √ x   . 

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

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню