幂运算与幂函数(高中)

                     

贡献者: 欄、停敘

预备知识 1 函数,函数的性质

   在初中阶段,已经学过的几类典型的函数形式:正比例函数 $f(x) = ax$、反比例函数 $\displaystyle f(x) = \frac{k}{x}$ 和二次函数 $f(x) = ax^2+bx+c$,其实都是幂函数组合得到的特例。可以这么说,幂函数是初中唯一接触过的函数。在高中阶段,将扩展这些知识,进一步研究幂函数的更一般形式。

1. 实数域下的幂运算

   幂函数的定义是基于乘方运算的。幂运算是继加法、减法、乘法和除法之后的另一种重要的数学运算。它最开始的意思是表示一个数自乘若干次,这也是初中学过的含义。但随着各自定义的扩张,幂运算包含了一些其他内容。

定义 1 幂运算

   形如

\begin{equation} a^b=c~. \end{equation}
的运算:

   在研究 c 与 a 的关系时称为幂运算(power operation,或乘方运算),其中 a 称为底数(base),b 称为指数(powe,指数运算中一般称 Exponent),c 称为幂值(Exponential Value),要求 $a,b$ 不同时为 $0$。$b=2$ 时称为平方,$b=3$ 时称为立方,$\displaystyle b=\frac{1}{2}$ 时称为开方,$b=-1$ 时称为倒数

   在研究 c 与 b 的关系时称为指数运算(exponentiation),此时 c 称为真数(argument),要求 $a>0,a\neq1$。

   尽管有两个名字,但他们是同一种运算,只是关注点不同。

   为了逻辑一致性,幂运算在实数内的合法范围要求如下:

   下面是一些幂运算的法则,它是对初中已有的整数幂次的扩展。扩展后指数部分可以是任意实数。如果尚不了解原理或感到陌生,直接默认其成立熟练使用即可,下面的运算均要求合法的前提下进行:

定理 1 幂运算法则

  

  • 分数次幂:$a^{\frac{1}{n}} = \sqrt[n]{a} \quad a \geq 0$
  • 负次幂:$\displaystyle a^{-1}=\frac{1}{a},a\neq0$
  • 零次幂:$a^0=1,a\neq0$
  • 一次幂:$a^1=a$
  • 积的幂:$(a \cdot b)^n = a^n \cdot b^n$
  • 拆分指数的和:$a^{m+n}=a^m \cdot a^n$
  • 拆分指数的积:$a^{m \cdot n}= (a^m)^n =(a^n)^m $

   这里独立说一下正实数的无理数次幂,它的定义是由极限得到的。如果有两列数字分别为 $p_i,q_i$,满足对任意的 $i$ 都有 $p_i< b< q_i$,如果随着 $i$ 增加 $a^{p_i},a^{q_i}$ 之间的区别越来越小,直至二者几乎相等,那么就认为 $a^b$ 就是那个确定的实数。这里采用了比较模糊的表述,在高中教材中也是如此描述。它实际上反映了极限运算的本质。此处参照例 1 有一个感性认识就可以。

例 1 求 $2^\pi$

   已知 $3.1<\pi<3.2$,$3.14<\pi<3.15$,$3.141<\pi<3.142$,$3.1415<\pi<3.1416$……随着精度的增加,两边的数值都更接近 $\pi$。从而,$2^{3.1}<2^\pi<2^{3.2}$,$2^{3.14}<2^\pi<2^{3.15}$,$2^{3.141}<2^\pi<2^{3.142}$,$2^{3.1415}<2^\pi<2^{3.1416}$……两侧的数值也逐渐相等,于是那个最终相等的实数就是 $2^\pi$。

2. 幂函数

   将指数作为参数,底数作为自变量的函数就称为幂函数,幂函数的名称指的就是自变量的幂次是函数值,注意不要与指数函数相混淆。

定义 2 幂函数

   形如

\begin{equation} f(x) = x^a~. \end{equation}
的函数称作幂函数(Power function),其中 $a\in\mathbb R$。

   $a$ 会影响函数的性质的各个方面,在学习时需要时刻注意。

   由于幂函数的样式很多,直接研究每个具体的形式会很混乱。但对 $y=x^a$,在 $x>0$ 时,总是有定义的,而且此时 $y$ 一定为正。因此,函数一定会在第一象限有图象。本文会先讨论定义域以及奇偶性,奠定好研究基础,然后再专注研究其在第一象限的规律。这也反映了一般分析函数的过程。

3. 定义域与奇偶性

   下面的讨论,若 $a\in\mathbb{Q}$ 则以 $\displaystyle a=\frac{n}{m}$($n,m$ 互质,$m>0$)的形式进行。

定义域

   通常来讲,幂函数的定义域是 $x\in\mathbb{R}$,根据前面提到的幂运算非法情况,定义域需要调整:

   在正式的研究开始之前,还需要先提及一个特例,当 $a = 0$ 时,幂函数会退化为常值函数 $f(x) = 1(x\neq0)$,该函数在所有非 $0$ 处值恒为 $1$,图像是一个在 $0$ 处无定义的水平直线。它是在定义域上恒为正的偶函数。

   这里有必要讨论一下 $0^0$。严格来说,$0^0$ 在高中阶段是未定义的,但在大部分场合(例如幂级数展开)会默认其值为 $1$。事实上,如果从幂运算的最基础定义来讲,一般会先定义 $0^0=1$ 来保证归纳得到的其他幂次不会出现多余的参数。这里也可以理解为,幂运算是比指数运算更底层的运算,因此要优先保证幂运算 $x^0=1$ 成立,而非 $0^x=0$ 成立。

奇偶性

   根据定义域的讨论,只有 $m$ 为奇数时,定义域才是关于 $0$ 对称的,因此,针对奇偶性的讨论将会在 $m$ 是奇数的前提下进行。

   由幂运算的定义始终有 $(-x)^2=x^2,(-x)^1=-(x)^1$,即 $a=2$ 时是偶函数,$a=1$ 时是奇函数。下面以此为基础讨论其他形式的幂次的奇偶性:

   整理一下,幂函数的奇偶性分为三种情况:

   事实上,这也是奇偶性名称最直观的体现,它与 $n$ 的奇偶性相同。$n=0$ 时也符合这里的条件。

   总结本章的内容可知,幂函数的形态与 $n,m$ 是否同号以及奇偶关系有关,因此在遇到幂函数时,首先要关注的就是这两个数字的性质。

4. 在第一象限的幂函数

   在第一象限时,$x>0$。后面的讨论是在这个基础上的。根据 $x^a$ 运算的性质,在 $a>0$ 时满足:

  1. $x>1\implies x^a>1$
  2. $0< x<1\implies 0< x^a<1$

单调性

   对于 $f(x)=x^a$,任取 $x_1>x_2$,则平均变化率为

\begin{equation} \frac{f(x_1)-f(x_2)}{x_1-x_2}=\frac{(x_2)^a\left(\left(\frac{x_1}{x_2}\right)^a-1\right)}{(x_1-x_2)}~. \end{equation}

   由于式 3 中的分母和 $(x_2)^a$ 为正,因此讨论 $\left(\frac{x_1}{x_2}\right)^a$ 与 $1$ 的关系。设 $\displaystyle p=\frac{x_1}{x_2}$,由于 $x_1>x_2$,可知 $p>1$。从而,$a>0$ 时,$p^a>1$,$a<0$ 时,$\displaystyle p^a=\left(\frac{1}{p}\right)^{|a|}<1$。

   综上,$a>0$ 时,式 3 的值大于 $0$,函数在第一象限是递增的;反之 $a<0$ 时,函数则是递减的。

不同的 $a$ 的函数图象的关系

   当 $a_1>a_2$ 时,有 $a_1-a_2>0$。此时,对 $x>1$,有 $x^{a_1-a_2}>1$,即 $\displaystyle \frac{x^{a_1}}{x^{a_2}}>1$,由于在第一象限 $x^{a_2}>0$,从而有 $x^{a_1}>x^{a_2}$;同理,对 $0< x<1$,$x^{a_1}< x^{a_2}$。

   形象地来说,在第一象限内,如果在 $x=1$ 的右侧从下到上画一条垂线,则会先穿过 $a$ 值较小的函数图象,后穿过 $a$ 值较大的函数图象;在 $x=1$ 的左侧从下到上画一条垂线,则会先穿过 $a$ 值较大的函数图象,后穿过 $a$ 值较小的函数图象。

其他性质

   将定义域限定在 $(0,+\infty)$ 时,由于 $\displaystyle(x^a)^{\frac{1}{a}}=x$,所以 $\displaystyle x^{\frac{1}{a}}$ 与 $x^a$ 互为反函数。也即二者的图象关于 $y=x$ 对称,而这条对称轴本身也是 $a=1$ 的情况,即它与自身互为反函数。

   顺便一提,有两个特殊的局部:$x$ 在 $0$ 附近时,如果 $a>0$,则 $x^a$ 趋于 $0$,如果 $a<0$,则 $x^a$ 趋于无穷。当 $x$ 趋向于无穷时,如果 $a>0$,则 $x^a$ 趋于无穷,如果 $a<0$,则 $x^a$ 趋于 $0$。这是根据幂运算的性质得到的。关于 “趋于”、“无穷”、“附近” 这三个词,现在只需要有一个感性的理解就可以了,它是符合几何直观的。关于这三个词的具体内涵,会在大学阶段学习。

第一象限图像总结

   把前面的分析组合起来考虑,如果将第一象限以 $x=1,y=x,y=1$ 三条线分成六个区域。这三条线的交点是 $(1,1)$,由于不论 $a$ 取何值,$1^a=1$,因而幂函数一定会过点 $(1,1)$。如果将 $x=1,y=x$ 之间大于 $1$ 的部分记作区域 $\rm{I}$,则可顺时针得到 $\rm{I, II, III, IV, V, VI}$ 一共六个区域:

   函数是光滑的,并且 $|a|$ 越大,越会靠近直线 $x=1$,$|a|$ 越小,越会靠近直线 $y=1$。全部画在一起时如图 1 展示了幂函数 $f(x) = x^a$ 第一象限的函数图象。

图
图 1:实参数的幂函数(相同颜色的函数互为反函数)

   之前说过,幂函数的图像有规律,但很复杂。现在终于将所有的规律都探索完毕了。还有最后一步就是针对一个具体的表达式,在画出第一象限、分析定义域和奇偶性的基础上,补全其他象限的图。没有必要一次全都列出,因此以一道习题为例进行演示,你也可以自己试试。

习题 1 描述 $f(x)=x^{-\frac{4}{5}}$ 的图像

   解:

   根据前面的分析,$n=-4,m=5,a<0$,所以函数的定义域是 $({-\infty},0)\cup(0,{+\infty})$,是偶函数,函数图像关于 $y$ 轴对称。在第一象限的区域 $\rm{III,VI}$ 中,即在 $(0,1)$ 区间内的图像在 $y=1$ 上方,在 $(1,+\infty)$ 区间内的图像在 $y=1$ 下方。在 $(0,{+\infty})$ 上递减,在 $({-\infty},0)$ 上递增。是两条分别过点 $(-1,1),(1,1)$ 的光滑曲线。(*在 $0$ 两侧函数趋于无穷,在无穷处函数值趋于 $0$。)

5. *复数域扩展

预备知识 2 复数三角函数

   在实数域上,无理数次幂和偶次方根只定义在正数上。因此,函数只在第一象限有图象,但是根据欧拉公式,引入复数后将函数拓展到复数域中可以有一些新知,下面略窥这些新想法。请注意,下面的内容在高中阶段完全不需要理解,甚至在本科基础阶段都不会涉及。此处给出只是为了扩展视野,如果想要具体了解需要学习复变函数

   首先,不加证明地给出欧拉公式3

定理 2 欧拉公式

\begin{equation} \forall x\in\mathbb{R}, \cos\left(x\right) + \mathrm{i} \sin\left(x\right) =e^{ \mathrm{i} x} ~. \end{equation}

   注意到,等号左侧是一个模为 $1$ 的复数。因此,任意复数可以表示为 $z = r (\cos \theta + \mathrm{i} \sin \theta)$,称 $r$ 是复数 $z$ 的,$\theta$ 是复数与实轴的夹角,称为辐角,由于正弦与余弦都是周期函数,所以 $\theta+2k\pi,k\in\mathbb{Z}$ 都是辐角,称呼 $\theta\in[0,2\pi)$ 为辐角主值。于是,通过欧拉公式有复数的指数形式

\begin{equation} z = r e^{ \mathrm{i} (\theta+2k\pi)},k\in\mathbb{Z}~. \end{equation}

   由于 $-x$ 的辐角为 $\pi$,模为 $|x|$,将 $-x$ 写成指数形式为:

\begin{equation} -x = |x| e^{ \mathrm{i} \pi(1+2k)},k\in\mathbb{Z}~. \end{equation}

负数偶次方根的情况

   假设要计算负负实数的偶次方根 $(-x)^{\frac{1}{4}},x>0$,使用幂运算公式:

\begin{equation} \displaystyle (-x)^{\frac{1}{4}} = \left( |x| e^{ \mathrm{i} \pi(1+2k)} \right)^{\frac{1}{4}} =|x|^{\frac{1}{4}} \cdot e^{ \mathrm{i} \pi\frac{1+2k}{4}}=|x|^{\frac{\pi}{4}} \cos\left(\frac{1+2k}{4}\pi\right) + \mathrm{i} |x|^{\frac{\pi}{4}} \sin\left(\frac{1+2k}{4}\pi\right) ,k\in\mathbb{Z}~. \end{equation}

   由于正、余弦函数的周期性,与无理数部分不同,这只会产生四个不同的解,分别为:

   其实,有理数次幂函数 $x^{n/m}$($x\in \mathbb R$,$n$ 为整数,$m$ 为正整数)总是有 $m$ 个可能的值

\begin{equation} x^{n/m} = \left\{\begin{aligned} & \left\lvert x^n \right\rvert ^{1/m} \mathrm{e} ^{ \mathrm{i} 2\pi k/m} & (x^n > 0)\\ & \left\lvert x^n \right\rvert ^{1/m} \mathrm{e} ^{ \mathrm{i} 2\pi (k+1/2)/m} & (x^n < 0) \end{aligned}\right. \qquad (k = 0,1,\dots, m-1)~. \end{equation}

无理数次幂

   假设要计算负实数的无理数($\pi$)次幂 $(-x)^\pi,(x>0)$,使用幂运算公式:

\begin{equation} (-x)^\pi = \left( |x| e^{ \mathrm{i} \pi(1+2k)} \right)^\pi =|x|^\pi \cdot e^{ \mathrm{i} \pi^2(1+2k)}=|x|^\pi \cos\left(\pi^2(1+2k)\right) + \mathrm{i} |x|^\pi \sin\left(\pi^2(1+2k)\right) ,k\in\mathbb{Z}~. \end{equation}

   可以看出,负实数的 $\pi$ 次幂是复数,且由于 $\pi^2(1+2k)$ 与正、余弦函数的周期 $2\pi$ 之比并非有理数,这使得得到的复数有无穷多个。其他无理数次幂也依此计算。事实上,在这样的观点下,正实数的无理数次幂,除了幅角主值对应的是一个实数之外,其余的都是复数。

   上面的内容带你对复变函数初窥门径,希望能够让你感受到数学的魅力。


1. ^ 这里会在子节 5 给出说明
2. ^ 这里的两个与无穷相关的内容,给出只是作为参考,事实上这时已经不在函数的范畴内了。
3. ^ 如果代入 $x=\pi$,则会得到恒等式 $e^{i\pi}+1=0$,这被很多人称为数学中最优美的等式之一。


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