摘要
这一课把底数为正的幂推广到任意实数指数,把它定义为有理数指数幂的上确界,并证明这一定义延拓了原有的定义、幂关于指数严格单调,以及指数运算法则仍然成立。随后研究指数函数:它的定义域;它的值域,这要借助完备性与伯努利不等式得到;它的单调性;它的水平渐近线;不同底数的比较;底数 a 与 a1 之间的对称性;以及其图像的变换。借助伯努利不等式,本课说明指数函数无界地增长,并最终超过幂函数;问题部分则不用计算器比较无理指数幂,用函数方程刻画指数函数,并计数 y=2x 与抛物线 y=x2 的交点个数。
学习目标
- 借助实数的完备性定义正底数的实数指数幂,并说明它延拓了有理数指数幂。
- 用有理数指数幂之间的夹逼论证,证明幂关于指数的单调性以及法则 ax+y=axay 与 (ax)y=axy。
- 描述指数函数(定义域、值域、单调性、渐近线、底数的比较),证明它取遍所有正值,并作出其变换的图像。
- 比较无理指数幂,解简单的指数不等式,并推理指数函数相对于幂函数的增长。
实数指数幂
在关于有理数指数幂的课中,定义了 ax(其中 a>0,x 为有理数),证明了这一定义与表示指数所用的分数无关、指数运算法则成立,以及若 a>1,则幂随指数增大而增大:若 r<s 为有理数,则 ar<as。反之,像 22 这样的式子仍没有意义,因为 2 不是分数,没有任何根式或整数次幂能定义它。
然而,2 大于有理数 1、57、100141、10001414,这些数从下方逼近它;而幂 21、257、2100141、210001414 构成一个递增数列,其值约为 2;2.639;2.657 和 2.665。它们都不超过 223=8,因为所有这些指数都小于 23。既然如此,自然的做法是把 22 定义为不被任何幂 2r(其中 r 为有理数且 r≤2)超过的最小的数,也就是定义为一个上确界;它的存在由实数的完备性保证,完备性已在关于数集的课中介绍。
借助上确界的定义
设 a>1,并设 x 为实数。称 Ax 为幂 ar(其中 r 为有理数且 r≤x)组成的集合。实数指数幂 ax 就是 Ax 的上确界。若 0<a<1,定义 ax=(a1)−x,其中底数 a1 大于 1;并定义 1x=1,这里 x 是任意实数。
这一定义包含两个需要证明的断言:上确界存在;以及若 x 是有理数,则新的数 ax 与原已知的数相同。没有第二个断言,符号 ax 对有理指数就会有两种含义。
设 a>1。对任意实数 x,集合 Ax 非空且有上界,因而有上确界。若 x 是有理数,这个上确界就是有理数指数幂 ax。
这里要用到阿基米德性质(已在关于有理数的小数表示的课中证明)以及有理数指数幂的单调性。图中考察 a=2 且 x=2 的情形:有理数指数幂的阶梯向 22 攀升而达不到它。
证明
- 1
由阿基米德性质,存在自然数 k,它大于 −x。整数 −k 是一个有理数,且小于 x,因而它的幂属于 Ax,于是该集合非空。
- 2
同样,存在自然数 m,它大于 x。若 r 是有理数且 r≤x,则 r<m,再由有理数指数幂的单调性得 ar<am:数 am 是 Ax 的一个上界。
- 3
由完备性,非空且有界的集合 Ax 有上确界,这就是定义中的数 ax。作为上界,意味着指数小于或等于 x 的有理数指数幂都不超过它。
- 4
若 x 是有理数,有理数指数幂 ax 属于 Ax(取 r=x),并且由单调性它是 Ax 的上界。一个集合中作为该集合上界的元素就是它的上确界,因为任何比它小的数都不再是上界。两种定义一致。
对小于 1 的底数所作的定义同样延拓了原有的定义:若 0<a<1 且 r 是有理数,由有理数指数的运算法则得 (a1)−r=(a1)r1=ar。此外,由定义直接得到一条常用的法则:对任意底数 a>0 和任意实数 x,倒数底数的幂等于相反指数的幂。事实上,若 a>1,则底数 a1 小于 1,按定义 (a1)x=a−x;若 0<a<1,则底数 a1 大于 1,而 a−x 的定义恰好就是 (a1)x。
单调性
定义的第一个用途是把 ax 置于有理数指数幂之间:当底数大于 1 时,每个小于 x 的有理指数给出小于 ax 的幂,每个更大的有理指数给出更大的幂。由此可得任意实数指数的单调性。
设 a>1,并设 x 为实数。若 r 与 s 是有理数且 r<x<s,则 ar<ax<as(夹逼)。因此,若 x<y 是实数,则 ax<ay(当 a>1 时),ax>ay(当 0<a<1 时)(单调性)。此外,ax>0 对任意底数 a>0 和任意实数 x 成立。
这里要用到有理数的稠密性(已在关于实数轴的课中证明):两个不同的实数之间总有一个有理数。图中在 y=2x 的图像上展示 x 附近的有理数如何夹住值 2x。
证明
- 1
由稠密性,存在有理数 u 使 r<u<x。它的幂属于 Ax,因而不超过上确界;而由有理数指数幂的单调性,它大于 ar。
- 2
还存在有理数 w 使 x<w<s。Ax 中每个幂的指数都小于 w,因此都小于 aw:这个数是 Ax 的上界,从而不小于上确界,因为上确界是最小的上界。
- 3
a>1 时的单调性。若 x<y,由稠密性,两者之间有有理数 q,把夹逼对 x 用一次、对 y 再用一次,便得到不等式。
- 4
若 0<a<1,则底数 a1 大于 1,而相反的指数满足 −y<−x。由上面的结果和定义,不等号反向。
- 5
正性。若 a>1,上确界不小于 Ax 的任何元素,而这些元素是有理数指数幂,由关于有理数指数幂的课知它们为正。若 0<a<1,数 ax 是以 a1>1 为底的幂,且 1x=1。
若 a>1,单调性可以双向解读:对任意实数 u 和 v,u<v 当且仅当 au<av,u=v 当且仅当 au=av。事实上,若 u≥v,则会有 au≥av。当底数在 0 与 1 之间时,等价关系在不等号反向后成立。这样,同底的幂可以通过比较指数来比较。
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