Краткое содержание
Этот урок завершает раздел о показательной, логарифмической и гиперболических функциях, последний раздел курса. Он собирает его результаты в одну дедуктивную цепь, которая начинается с полноты действительных чисел и приходит к параметризации гиперболы; показывает, как эта цепь опирается на предыдущие разделы курса, от индукции и бинома Ньютона до уравнения гиперболы, и как она готовит курс «Алгебра и геометрия II», который начинается с тригонометрических функций и полярных координат. В конце предлагаются десять задач, более трудных, чем задачи для самостоятельного решения в уроках, которые требуют сочетать несколько уроков и найти собственную идею.
Цели обучения
- Восстановить цепь определений и теорем раздела, указывая для каждого звена более ранний результат, от которого оно зависит.
- Связать результаты раздела с результатами предыдущих разделов и предвидеть их роль в тригонометрических функциях курса «Алгебра и геометрия II».
- Решать задачи, сочетающие монотонность показательной функции, свойства логарифмов, неравенство и гиперболические формулы сложения.
- Самостоятельно выбирать замену, неравенство или вспомогательную функцию, сводящую нестандартную задачу к известной.
Чего достиг раздел
Раздел начался с пробела: по окончании раздела о числовых множествах степень имела смысл при рациональном , но не при . Его итоговый результат есть семейство функций, определённых на всей прямой, с полными алгебраическими свойствами, явными обратными функциями и геометрическим истолкованием. Звенья цепи таковы.
Степень с действительным показателем
Урок о показательной функции и степени с действительным показателем определил при как точную верхнюю грань степеней , где рационально и . Полнота обеспечила существование точной верхней грани; плотность рациональных чисел дала двустороннюю оценку при , а вместе с ней строгую монотонность; неравенство Бернулли оценило длину промежутков двусторонней оценки и позволило доказать, со свойством Архимеда, свойства показателей, последнее из них разбором случаев в зависимости от основания и знака показателя:
С этими свойствами показательная функция оказалась положительной, инъективной и строго монотонной; новое рассуждение с точными верхними гранями вместе с неравенством Бернулли доказало, что она принимает все положительные значения, так что она является биекцией на ; и было доказано, что в конце концов она обгоняет квадраты.
Число e
Урок о числе e и натуральной экспоненте выбрал привилегированное основание. С помощью бинома Ньютона и неравенства Бернулли он доказал, что возрастает, а убывает, и определил как число, заключённое между обеими последовательностями; доказал, что оно является также точной верхней гранью сумм величин, обратных факториалам, с погрешностью меньше , и что оно иррационально, а с помощью основного неравенства и степени степени доказал, что точная верхняя грань капиталов равна , не прибегая к понятию предела. Самый плодотворный результат урока есть основное неравенство, верное для всякого действительного , с равенством только при , которое вновь появляется почти во всех последующих доказательствах:
Логарифм и уравнения
Урок о логарифмической функции получил как функцию, обратную к показательной, и перевёл каждое свойство степеней в свойство логарифмов; переход к новому основанию показал, что все логарифмы кратны одному, а лемма Евклида доказала, что иррационален. Урок о показательных и логарифмических уравнениях и неравенствах превратил два свойства этих функций в методы: инъективность позволяет приравнивать показатели и аргументы, а монотонность сохраняет или меняет знак неравенства в зависимости от основания. Трудности, характерные для этих задач, а именно область определения, посторонние корни и неположительные значения вспомогательной переменной, все происходят из того, что показательная функция принимает только положительные значения. Лишь один результат того урока опирается на то, что раздел не доказывает: существование решения уравнения, не решаемого алгебраическим методом, такого как , опирается на теорему о промежуточном значении, принятую в уроке о рациональных функциях, и на непрерывность показательной функции, которая принимается в уроке о степени с действительным показателем; доказательство обоих фактов относится к математическому анализу. Напротив, единственность решения и деление отрезка пополам, которое его находит, выводятся из порядка.
Модели и гиперболические функции
Урок о моделях роста и убывания доказал, что закон характеризует модель и что, следовательно, всякая монотонная величина, которая изменяется в одной и той же пропорции за равные промежутки времени, является показательной; отсюда время удвоения и период полураспада, радиоуглеродное датирование по углероду-14, закон Ньютона, полулогарифмическая линеаризация и логистическая модель. Наконец, урок о гиперболических функциях соединил и в гиперболический косинус и гиперболический синус, основное тождество которых есть прямое следствие свойства степеней:
Из него вытекли параметризация правой ветви гиперболы , параметр которой восстанавливается с помощью логарифма, формулы сложения и обратные функции, которые выражаются через логарифмы при решении квадратных уравнений относительно . Так цепь замыкается на себя: экспонента порождает гиперболические функции, а логарифм их обращает.
Рисунок ниже соединяет четыре участка в одну цепь. Каждый узел столбца есть определение или теорема, пронумерованные в логическом порядке и соединённые дугой с предыдущими звеньями, которые использует их доказательство; вокруг расположены опоры, то есть принципы и средства, к которым цепь обращается снова и снова, и каждая соединена сплошной линией со звеньями, которые на неё опираются, и пунктирной со звеном, где она устанавливается, кроме тех, что принимаются без доказательства или взяты из предыдущих разделов: они изображены кольцами. Нажатие на опору выделяет все звенья, которые её используют, а каждое звено ведёт к уроку, где оно доказывается.
Опоры цепи
- AПолнота. Всякое непустое множество действительных чисел, ограниченное сверху, имеет точную верхнюю грань; сформулирована в разделе о числовых множествах. В этом модуле принимается без доказательства.
- BПлотность и свойство Архимеда. Между двумя различными действительными числами всегда есть рациональное, и всякое действительное число превосходится некоторым натуральным; доказаны в разделе о числовых множествах. В этом модуле принимается без доказательства.
- CНеравенство Бернулли. Если и натуральное, то ; доказано по индукции в разделе о натуральных числах. В этом модуле принимается без доказательства.
- DБином Ньютона. Для всякого натурального выполняется ; доказан в разделе о натуральных числах. В этом модуле принимается без доказательства.
- EЛемма Евклида. Если простое число делит произведение натуральных чисел, то оно делит один из множителей; доказана в разделе о натуральных числах. В этом модуле принимается без доказательства.
- FСвойства показателей. При , и действительных , выполняются , и . Устанавливается в: 3. Свойства действительных показателей.
- GМонотонность показательной функции. Если , то для действительных и имеем тогда и только тогда, когда ; при основании между и неравенство меняет знак. Устанавливается в: 2. Двусторонняя оценка и монотонность.
- HЛогарифм как обратная функция. При имеем тогда и только тогда, когда ; откуда и . Устанавливается в: 15. Логарифм.
Участок 1 Степень с действительным показателем
- Определить для всякого действительного показателя как точную верхнюю грань рациональных степеней и обосновать, что это определение продолжает прежнее.
- Заключить между рациональными степенями и вывести отсюда строгую монотонность.
- Доказать свойства действительных показателей, включая степень степени, с помощью двусторонних оценок, длину которых оценивает неравенство Бернулли.
- Описать показательную функцию: область определения, знак, инъективность, неограниченный рост и горизонтальная асимптота.
- Доказать с помощью полноты и неравенства Бернулли, что показательная функция принимает все положительные значения.
Степень с действительным показателем. Если , то степень есть точная верхняя грань степеней , где рационально и ; эта грань существует и, если рационально, совпадает с уже известной степенью.
Опирается на: A (Полнота), B (Плотность и свойство Архимеда). Доказывается в уроке: Показательная функция и степень с действительным показателем.
Двусторонняя оценка и монотонность. Если , а , рациональны и , то . Следовательно, если , то при и при ; кроме того, при всяком положительном основании.
Использует: 1. Степень с действительным показателем. Опирается на: B (Плотность и свойство Архимеда). Доказывается в уроке: Показательная функция и степень с действительным показателем.
Свойства действительных показателей. При , и действительных , выполняются и ; с помощью первого из них, единственности арифметического корня и новой двусторонней оценки также , при всех сочетаниях знаков.
Использует: 2. Двусторонняя оценка и монотонность. Опирается на: B (Плотность и свойство Архимеда), C (Неравенство Бернулли). Доказывается в уроке: Показательная функция и степень с действительным показателем.
Показательная функция. Если и , то функция определена на , положительна и инъективна; если , она возрастает, превосходит любую границу и приближается к при движении влево, а график есть её отражение относительно оси .
Использует: 1. Степень с действительным показателем. Опирается на: C (Неравенство Бернулли), G (Монотонность показательной функции). Доказывается в уроке: Показательная функция и степень с действительным показателем.
Множество значений показательной функции. Если и , то для всякого существует единственное действительное с : если , это точная верхняя грань рациональных с . Показательная функция есть биекция на .
Использует: 4. Показательная функция. Опирается на: A (Полнота), B (Плотность и свойство Архимеда), C (Неравенство Бернулли), F (Свойства показателей), G (Монотонность показательной функции). Доказывается в уроке: Показательная функция и степень с действительным показателем.
Участок 2 Число e
- Доказать с помощью бинома Ньютона и неравенства Бернулли, что возрастает, а убывает, и оценить её с помощью неравенства , доказанного по индукции.
- Определить как число, заключённое между обеими последовательностями.
- Доказать, что есть точная верхняя грань сумм величин, обратных факториалам, оценить погрешность и вывести, что иррационально.
- Доказать основное неравенство и с его помощью то, что точная верхняя грань капиталов равна .
Возрастание последовательности. Последовательность строго возрастает.
Опирается на: D (Бином Ньютона). Доказывается в уроке: Число e и натуральная экспонента.
Факториалы и степени двойки. Для всякого натурального выполняется , с равенством только при или ; доказывается по индукции.
Доказывается в уроке: Число e и натуральная экспонента.
Оценка последовательности. Для всякого натурального выполняется , где : каждый член оценивается членом геометрической прогрессии со знаменателем .
Использует: 7. Факториалы и степени двойки. Опирается на: D (Бином Ньютона). Доказывается в уроке: Число e и натуральная экспонента.
Сопутствующая последовательность. Последовательность строго убывает.
Опирается на: C (Неравенство Бернулли). Доказывается в уроке: Число e и натуральная экспонента.
Число e. Число , точная верхняя грань членов , удовлетворяет неравенствам для всякого натурального .
Использует: 6. Возрастание последовательности, 8. Оценка последовательности, 9. Сопутствующая последовательность. Опирается на: A (Полнота). Доказывается в уроке: Число e и натуральная экспонента.
Ряд для числа e и его погрешность. Точная верхняя грань сумм равна , и для всякого натурального выполняется .
Использует: 8. Оценка последовательности, 10. Число e. Опирается на: A (Полнота), B (Плотность и свойство Архимеда), C (Неравенство Бернулли). Доказывается в уроке: Число e и натуральная экспонента.
Иррациональность e. Число иррационально.
Использует: 11. Ряд для числа e и его погрешность. Доказывается в уроке: Число e и натуральная экспонента.
Основное неравенство. Для всякого действительного выполняется , причём равенство достигается только при .
Использует: 10. Число e. Опирается на: B (Плотность и свойство Архимеда), C (Неравенство Бернулли), F (Свойства показателей), G (Монотонность показательной функции). Доказывается в уроке: Число e и натуральная экспонента.
Непрерывное начисление процентов. Если , то капиталы возрастают с ростом , ни один не достигает , и их точная верхняя грань равна ; при точная верхняя грань чисел равна .
Использует: 1. Степень с действительным показателем, 6. Возрастание последовательности, 10. Число e, 13. Основное неравенство. Опирается на: D (Бином Ньютона), F (Свойства показателей), G (Монотонность показательной функции). Доказывается в уроке: Число e и натуральная экспонента.
Участок 3 Логарифм и уравнения
- Получить как функцию, обратную к показательной, и перевести каждое свойство степеней в свойство логарифмов.
- Свести все логарифмы к одному с помощью перехода к новому основанию и изучить их монотонность и знак.
- Доказать с помощью леммы Евклида, что иррационален.
- Превратить инъективность и монотонность в методы решения уравнений и неравенств.
Логарифм. Так как показательная функция с основанием есть биекция на , для каждого число есть единственное действительное , такое что , а функция является обратной к ней.
Использует: 5. Множество значений показательной функции. Доказывается в уроке: Логарифмическая функция и её свойства.
Свойства логарифмов. При положительных , и действительном выполняются , и .
Опирается на: F (Свойства показателей), H (Логарифм как обратная функция). Доказывается в уроке: Логарифмическая функция и её свойства.
Переход к новому основанию. Выполняется ; всякий логарифм есть натуральный, делённый на постоянную, и .
Использует: 16. Свойства логарифмов. Опирается на: H (Логарифм как обратная функция). Доказывается в уроке: Логарифмическая функция и её свойства.
Монотонность и знак логарифма. Функция строго возрастает при и строго убывает при , и тогда и только тогда, когда .
Опирается на: G (Монотонность показательной функции), H (Логарифм как обратная функция). Доказывается в уроке: Логарифмическая функция и её свойства.
Иррациональные логарифмы. Если и взаимно простые натуральные числа, большие , то число иррационально; в частности, иррационален .
Использует: 18. Монотонность и знак логарифма. Опирается на: F (Свойства показателей), H (Логарифм как обратная функция), E (Лемма Евклида). Доказывается в уроке: Логарифмическая функция и её свойства.
Инъективность и уравнения. Имеем тогда и только тогда, когда , и тогда и только тогда, когда ; уравнение имеет единственное решение при и не имеет решений при .
Использует: 4. Показательная функция. Опирается на: H (Логарифм как обратная функция). Доказывается в уроке: Показательные и логарифмические уравнения и неравенства.
Монотонность и неравенства. Если , то тогда и только тогда, когда , и тогда и только тогда, когда ; если , равносильности верны с противоположным знаком неравенства.
Использует: 18. Монотонность и знак логарифма. Опирается на: G (Монотонность показательной функции). Доказывается в уроке: Показательные и логарифмические уравнения и неравенства.
Участок 4 Модели и гиперболические функции
- Охарактеризовать модель постоянным отношением за равные промежутки времени и найти время удвоения и период полураспада.
- Линеаризовать показательные данные на полулогарифмической плоскости и изучить логистическую модель.
- Определить гиперболические косинус и синус через и и изучить их монотонность.
- Доказать основное тождество, параметризовать правую ветвь гиперболы и получить формулы сложения и обратные функции.
Постоянное отношение. Если при , то для всех действительных и ; в целые моменты времени это дискретная модель с , и функция возрастает при и убывает при .
Опирается на: F (Свойства показателей), G (Монотонность показательной функции), H (Логарифм как обратная функция). Доказывается в уроке: Модели экспоненциального роста и убывания.
Обращение постоянного отношения. Если функция положительна и монотонна, а отношение зависит только от , то для некоторого действительного : уравнение и монотонность определяют экспоненту.
Использует: 2. Двусторонняя оценка и монотонность. Опирается на: B (Плотность и свойство Архимеда), F (Свойства показателей), H (Логарифм как обратная функция). Доказывается в уроке: Модели экспоненциального роста и убывания.
Удвоение и период полураспада. Если , то модель удваивается на всяком промежутке длительности , и только на них; если , она уменьшается вдвое на всяком промежутке длительности .
Использует: 22. Постоянное отношение, 20. Инъективность и уравнения. Опирается на: H (Логарифм как обратная функция). Доказывается в уроке: Модели экспоненциального роста и убывания.
Полулогарифмическая линеаризация. Точка с лежит на графике тогда и только тогда, когда лежит на прямой ; через две точки с различными абсциссами проходит единственный график такого вида.
Использует: 16. Свойства логарифмов. Опирается на: H (Логарифм как обратная функция). Доказывается в уроке: Модели экспоненциального роста и убывания.
Логистическая модель. Функция с положительными , и строго возрастает от до , достигает значения при , и её график симметричен относительно этой точки.
Использует: 4. Показательная функция. Опирается на: G (Монотонность показательной функции), H (Логарифм как обратная функция). Доказывается в уроке: Модели экспоненциального роста и убывания.
Гиперболические функции. При и гиперболический косинус чётен, синус нечётен, и , .
Использует: 4. Показательная функция. Доказывается в уроке: Гиперболические функции.
Монотонность гиперболических функций. Гиперболические синус и тангенс строго возрастают, причём ; гиперболический косинус убывает при , возрастает при , и его наименьшее значение есть .
Использует: 27. Гиперболические функции. Опирается на: F (Свойства показателей), G (Монотонность показательной функции). Доказывается в уроке: Гиперболические функции.
Основное тождество. Для всякого действительного выполняется .
Использует: 27. Гиперболические функции. Опирается на: F (Свойства показателей). Доказывается в уроке: Гиперболические функции.
Параметризация гиперболы. Функция есть биекция на правую ветвь , и обратная к ней сопоставляет точке число .
Использует: 20. Инъективность и уравнения, 27. Гиперболические функции, 28. Монотонность гиперболических функций, 29. Основное тождество. Опирается на: H (Логарифм как обратная функция). Доказывается в уроке: Гиперболические функции.
Формулы сложения. Выполняются и .
Использует: 27. Гиперболические функции. Опирается на: F (Свойства показателей). Доказывается в уроке: Гиперболические функции.
Обратные гиперболические функции. Выполняются , при , и при .
Использует: 28. Монотонность гиперболических функций. Опирается на: H (Логарифм как обратная функция). Доказывается в уроке: Гиперболические функции.
К тригонометрическим функциям. Цепь замыкается на себя: экспонента порождает гиперболические функции, а логарифм их обращает. Следующий курс сделает с окружностью то, что этот раздел сделал с гиперболой .
Загрузка содержимого…