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Topos Uranos

摘要

本课借助算术根把幂推广到有理数指数,证明这一定义与表示指数所用的分数无关,并证明整数指数幂的运算法则仍然成立。随后建立根式运算法则及其符号假设,刻画把根号分配到和上的错误,并讲授根式的计算技巧:把因式移到根号外,用共轭根式和立方差进行分母有理化,不用计算器比较数的大小,以及化简复合根式。

学习目标

  1. 对正的底数定义有理数指数幂,说明它与所选分数无关,并运用其运算法则。
  2. 叙述根式运算法则及其符号假设,特别是根指数为偶数时的 ann=∣a∣\sqrt[n]{a^n} = \abs{a},并识别典型错误。
  3. 化简根式,并对单项式、二项式以及含立方根的分母进行有理化。
  4. 通过乘方到适当的次数来比较含根式的数,并在可能时化简复合根式。

有理数指数幂

在关于数集的课中,定义了整数指数幂和算术根:对自然数 n≥2n \geq 2 和实数 b≥0b \geq 0,数 bn\sqrt[n]{b} 是唯一一个满足下述条件的非负实数:它的 nn 次幂等于 bb。在那里,对有理数底数证明了整数指数幂的运算法则;这些证明只用到加法和乘法的性质,因此对实数底数同样成立。在那里还证明了算术根的唯一性,后面的一切都依赖于它;同时承认了它的存在性,这是实数完备性的推论,并已在关于实数轴的课中得到证明。

乘方与开方是互逆运算,宜于用同一种记号把它们统一起来。如果幂的乘方法则对分数指数也应当成立,那么数 a1qa^{\frac{1}{q}} 必须满足 (a1q)q=a1=a\left(a^{\frac{1}{q}}\right)^q = a^1 = a;也就是说,它必须是根指数为 qq 的 aa 的一个方根,而自然的选择就是算术根。同样,apqa^{\frac{p}{q}} 应当是 pp 次幂(底数为 a1qa^{\frac{1}{q}}),或者是根指数为 qq 的 apa^p 的方根。这一观察并没有证明任何东西,因为它预设了想要得到的法则;它只是提示了定义。

定义(有理数指数幂)。设 a>0a > 0 为实数,pp 为整数,qq 为自然数。有理数指数幂 apqa^{\frac{p}{q}} 是根指数为 qq 的 apa^p 的算术根。当 q=1q = 1 时,约定一个数的根指数为 11 的方根就是这个数本身,于是这一定义与整数指数幂的定义一致。
apq=apqa^{\frac{p}{q}} = \sqrt[q]{a^p}

这个方根存在,因为 apa^p 是正数;由于同样的理由,它也是正数:如果它为零,那么它的 qq 次幂也为零。例如,823=643=48^{\frac{2}{3}} = \sqrt[3]{64} = 4,27−13=1273=1327^{-\frac{1}{3}} = \sqrt[3]{\frac{1}{27}} = \frac{1}{3}。在第一个例子中,先开方再乘方得到同样的结果,因为 (83)2=22=4\left(\sqrt[3]{8}\right)^2 = 2^2 = 4;两种运算的先后顺序无关紧要。

引理幂的方根

对任意实数 a>0a > 0、任意整数 pp 和任意自然数 qq,根指数为 qq 的 apa^p 的方根等于 pp 次幂(底数为根指数为 qq 的 aa 的方根)。

apq=(aq)p\sqrt[q]{a^p} = \left(\sqrt[q]{a}\right)^p

验证右边具有刻画左边的那种符号和那种幂,再应用算术根的唯一性。图示以 a=2a = 2、q=2q = 2 和 p=3p = 3 配合这一推理:曲线 y=tqy = t^q 在正数上递增,并且与每一条高度为正的水平直线恰好相交一次。

证明

  1. r=aq,r>0,rq=ar = \sqrt[q]{a}, \quad r > 0, \quad \dato{rq}{r^q = a}

    若 q=1q = 1,则两边都等于 apa^p。若 q≥2q \geq 2,设 rr 是根指数为 qq 的 aa 的算术根:它是正数,因为如果它为零,那么 aa 也为零;并且它的 qq 次幂等于 aa。

  2. rp>0\dato{pos}{r^p > 0}

    数 rpr^p 是正数,因为正数的任何整数指数幂都是正数:若 pp 是自然数,由乘法公理;若 p=0p = 0,它等于 11;若 pp 是负数,它是一个正数的倒数。

  3. (rp)q=rpq=(rq)p=ap\left(r^p\right)^q = r^{pq} = \left(\resaltar{r^q}\right)^p = \dato{ap}{\resaltar{a^p}}

    由整数指数的幂的乘方法则,按两种顺序应用,qq 次幂(底数为 rpr^p)等于 apa^p。

  4. apq=rp=(aq)p\sqrt[q]{a^p} = \resaltar{r^p} = \left(\sqrt[q]{a}\right)^p

    这样,rpr^p 是一个正数,它的 qq 次幂等于 apa^p。由算术根的唯一性,它就是根指数为 qq 的 apa^p 的方根。

定义与分数无关

同一个有理数可以写成许多分数:12=24=36\frac{1}{2} = \frac{2}{4} = \frac{3}{6}。上面的定义是用一个具体的分数表述的,事先没有任何东西保证同一指数的两种写法给出同一个数;例如,212=22^{\frac{1}{2}} = \sqrt{2},而 224=442^{\frac{2}{4}} = \sqrt[4]{4}。如果它们给出不同的数,那么符号 axa^x 对有理数 xx 就没有意义,而只对它的每一个分数才有意义。

定理与分数无关

设 a>0a > 0。若 pp 和 rr 是整数,qq 和 ss 是自然数,且 pq=rs\frac{p}{q} = \frac{r}{s},则 apq=ars\sqrt[q]{a^p} = \sqrt[s]{a^r}。 思路是把两个数都乘方到 qsqs 次,这同时消去两个根号,再应用算术根的唯一性。图示以 a=2a = 2、pq=12\frac{p}{q} = \frac{1}{2} 和 rs=24\frac{r}{s} = \frac{2}{4} 配合这一推理:每个幂都是一条递增曲线,与每一条水平直线恰好相交一次。

证明

  1. u=apq,v=ars,uq=ap,vs=aru = \sqrt[q]{a^p}, \quad v = \sqrt[s]{a^r}, \quad \dato{du}{u^q = a^p}, \quad \dato{dv}{v^s = a^r}

    把两种写法给出的数分别记为 uu 和 vv。它们都是正数,并且由方根的定义满足下面的等式。

  2. uqs=(uq)s=(ap)s=apsu^{qs} = \left(\resaltar{u^q}\right)^s = \left(a^p\right)^s = \dato{pu}{\resaltar{a^{ps}}}

    用幂的乘方法则求 uu 的 qsqs 次幂,并把 uqu^q 换成它的值。

  3. vqs=(vs)q=(ar)q=arqv^{qs} = \left(\resaltar{v^s}\right)^q = \left(a^r\right)^q = \dato{pv}{\resaltar{a^{rq}}}

    对 vv 同样处理,先合并指数 ss。

  4. pq=rs↔ps=qr\frac{p}{q} = \frac{r}{s} \leftrightarrow \dato{cr}{\resaltar{ps = qr}}

    两个分数相等,这意味着它们的交叉积相等。

  5. uqs=aps=aqr=vqsu^{qs} = a^{\resaltar{ps}} = a^{\resaltar{qr}} = v^{qs}

    由此,uu 与 vv 的指数为 qsqs 的幂相等。

  6. apq=ars\sqrt[q]{a^p} = \sqrt[s]{a^r}

    若 qs=1qs = 1,这就说明 u=vu = v。若 qs≥2qs \geq 2,则 uu 与 vv 是两个正数,它们的指数为 qsqs 的幂相等,由算术根的唯一性,它们相等。

因此,对任意有理数 xx,数 axa^x 是良定义的:把 xx 以任何方式写成分数,结果总是相同。特别地,任何有理数指数都可以写成分母为自然数的形式,两个指数也可以写成公分母的形式,后面的证明会用到这一点。

假设 a>0a > 0 并非随意。底数为负时,奇数次方根存在,但结果会依赖于分数:−83=−2\sqrt[3]{-8} = -2,而 (−8)26=646=2\sqrt[6]{(-8)^2} = \sqrt[6]{64} = 2,尽管 13=26\frac{1}{3} = \frac{2}{6}。因此不对负底数定义有理数指数幂,对负数则写成根式,例如 −83\sqrt[3]{-8}。底数为零时,定义 0x=00^x = 0,这里 x>0x > 0 是任意有理数;负指数和零指数都不定义。

有理数指数的运算法则

定义有了保证之后,来验证整数指数幂的运算法则仍然成立。

定理有理数指数的运算法则

对任意实数 a>0a > 0 和 b>0b > 0 以及任意有理数 xx 和 yy,有 ax⋅ay=ax+ya^x \cdot a^y = a^{x + y}、(ax)y=axy\left(a^x\right)^y = a^{xy} 和 (ab)x=ax⋅bx(ab)^x = a^x \cdot b^x。由此也有 a−x=1axa^{-x} = \frac{1}{a^x} 和 axay=ax−y\frac{a^x}{a^y} = a^{x - y}。 这里证明前两条法则;第三条由根式的乘法法则推出,见下一节。图中给出 2k62^{\frac{k}{6}} 的值:每一个都是前一个乘以 26\sqrt[6]{2},指数就像台阶一级一级地相加。

证明

  1. x=pq,y=rq,u=aq,ax=up,ay=urx = \frac{p}{q}, \quad y = \frac{r}{q}, \quad u = \sqrt[q]{a}, \quad \dato{lx}{a^x = u^p}, \quad \dato{ly}{a^y = u^r}

    积。把 xx 和 yy 写成公分母 qq 的形式,由前一定理这是允许的;并设 uu 为根指数为 qq 的 aa 的方根。由幂的方根引理,两个幂都是 uu 的整数次幂。

  2. ax⋅ay=up⋅ur=up+r=ap+rq=ax+ya^x \cdot a^y = \resaltar{u^p \cdot u^r} = u^{p + r} = \resaltar{a^{\frac{p + r}{q}}} = a^{x + y}

    由整数指数的同底数幂的乘法法则,指数相加;再由该引理,结果为 ax+ya^{x + y},因为 x+y=p+rqx + y = \frac{p + r}{q}。

  3. (ax)y=(up)rs=uprs=w\left(a^x\right)^y = \sqrt[s]{\left(\resaltar{u^p}\right)^r} = \dato{w}{\resaltar{\sqrt[s]{u^{pr}}}} = w

    幂的乘方。现在 x=pqx = \frac{p}{q},y=rsy = \frac{r}{s},并且仍有 ax=upa^x = u^p,其中 u=aqu = \sqrt[q]{a}。由定义,(ax)y\left(a^x\right)^y 是根指数为 ss 的 (up)r\left(u^p\right)^r 的方根;把这个正数记作 ww。

  4. wqs=(ws)q=(upr)q=(uq)pr=aprw^{qs} = \left(\resaltar{w^s}\right)^q = \left(u^{pr}\right)^q = \left(\resaltar{u^q}\right)^{pr} = \dato{wp}{a^{pr}}

    求 ww 的 qsqs 次幂,先合并指数 ss,它消去根号,再合并指数 qq,并利用 uq=au^q = a。

  5. (ax)y=w=aprqs=aprqs=axy\left(a^x\right)^y = w = \sqrt[qs]{\resaltar{a^{pr}}} = \resaltar{a^{\frac{pr}{qs}}} = a^{xy}

    由算术根的唯一性,ww 是根指数为 qsqs 的 apra^{pr} 的方根,也就是指数为 prqs=xy\frac{pr}{qs} = xy 的幂。

由第一条法则得到上述推论:由于 ax⋅a−x=a0=1a^x \cdot a^{-x} = a^0 = 1,数 a−xa^{-x} 是 axa^x 的倒数,从而 axay=ax⋅a−y=ax−y\frac{a^x}{a^y} = a^x \cdot a^{-y} = a^{x - y}。这些法则使得用有理数指数计算就像用整数指数一样。例如:

2⋅23=212⋅213=256=326,(2)23=212⋅23=23\sqrt{2} \cdot \sqrt[3]{2} = 2^{\frac{1}{2}} \cdot 2^{\frac{1}{3}} = 2^{\frac{5}{6}} = \sqrt[6]{32}, \qquad \left(\sqrt{2}\right)^{\frac{2}{3}} = 2^{\frac{1}{2} \cdot \frac{2}{3}} = \sqrt[3]{2}

有理数指数幂与顺序

在关于数集的课中证明了、并在关于实数轴的课中应用于不等式的结论是:自然数指数幂保持非负数的顺序:若 0≤u<v0 \leq u < v,则 un<vnu^n < v^n。有理数指数幂在底数方面继承了这一性质,并在指数方面增添了另一个性质,其方向取决于底数大于还是小于 11。

引理有理数指数幂的单调性

设 x<yx < y 为有理数。若 a>1a > 1,则 ax<aya^x < a^y;若 0<a<10 < a < 1,则 ax>aya^x > a^y。此外,若 x>0x > 0 且 0<s<t0 < s < t,则 sx<txs^x < t^x。 图中给出 y=t13y = t^{\frac{1}{3}}、y=t12y = t^{\frac{1}{2}} 和 y=t32y = t^{\frac{3}{2}} 的图像(t>0t > 0):在 t=1t = 1 的右侧,指数较大的函数值较大,在左侧情况相反,而在 t=1t = 1 处三条曲线相交。

证明

  1. x=pq,y=rq,p<r,u>1x = \frac{p}{q}, \quad y = \frac{r}{q}, \quad p < r, \quad \dato{u1}{u > 1}

    设 a>1a > 1。把 xx 和 yy 写成公分母 qq 的形式,并设 u=aqu = \sqrt[q]{a}。于是 u>1u > 1:如果 u≤1u \leq 1,那么由幂的单调性有 uq≤1u^q \leq 1,与 uq=a>1u^q = a > 1 矛盾。

  2. ay=ur=up⋅ur−p>up=axa^y = u^r = \resaltar{u^p \cdot u^{r - p}} > \resaltar{u^p} = a^x

    由于 r−pr - p 是自然数,ur−p>1r−p=1u^{r - p} > 1^{r - p} = 1,而乘以正数 upu^p 保持不等式。

  3. 1ax<1ay→ax>ay\frac{1}{a^x} < \frac{1}{a^y} \rightarrow \resaltar{a^x > a^y}

    若 0<a<10 < a < 1,它的倒数大于 11,由前面的结论,(1a)x<(1a)y\left(\frac{1}{a}\right)^x < \left(\frac{1}{a}\right)^y。由于根据指数运算法则 (1a)x=1ax\left(\frac{1}{a}\right)^x = \frac{1}{a^x},对两个正数取倒数时不等号反向。

  4. 1x=11^x = 1

    若 a=1a = 1,它的所有幂都等于 11,因为 11 的方根和幂都是 11。因此三条图像都经过点 (1,1)(1, 1)。

  5. 0<s<t→sp<tp→spq<tpq0 < s < t \rightarrow \resaltar{s^p < t^p} \rightarrow \resaltar{\sqrt[q]{s^p} < \sqrt[q]{t^p}}

    关于底数的单调性,设 x=pqx = \frac{p}{q},其中 pp 是自然数。由 s<ts < t 得 sp<tps^p < t^p;如果 spq≥tpq\sqrt[q]{s^p} \geq \sqrt[q]{t^p},那么两边取 qq 次幂会得到 sp≥tps^p \geq t^p,这是错误的。

幂函数的图像将在关于代数函数的课中详细研究;这里只需要两种单调性,它们将用于比较数的大小。