Bourbaki

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4. 指数和对数

1. axa^x 和 log⁡ax\log_a x 的定义

定理 1 0BW0

乘法群* R+∗\mathbf{R}_+^* of 实数 >0> 0 是群同构于加法群 R\mathbf{R} of 实数。

引用了 6 · 被以下引用 1

引用了 命题 1, IV § 4, 定理 2, V § 3, 推论, V § 1, 命题 5, V § 1, IV § 3. 实数的域, 习题 1, § 4

被以下引用 命题 1, VIII § 1

因为R+∗=]0,+∞[\mathbf{R}_+^* = ]0, +\infty[是R\mathbf{R}的开区间,因此与R\mathbf{R}*同胚*(章IV, § 4, no. 1,命题1)。因此,通过 § 3 的定理 2,它是群 同构的到 R\mathbf{R}。

从推论到§ 1, no. 3的命题 5,对于每个数a>0a > 0,R\mathbf{R}到R+∗\mathbf{R}_+^*都有一个唯一的连续同态faf_a,使得fa(1)=af_a(1) = a。因此,对于所有x∈Rx \in \mathbf{R}和所有y∈Ry \in \mathbf{R},我们有

fa(x+y)=fa(x)fa(y),fa(−x)=1fa(x), f_a(x + y) = f_a(x) f_a(y), \qquad f_a(-x) = \frac{1}{f_a(x)},

因此,特别是对于所有 n∈Zn \in \mathbf{Z},

fa(n)=an. f_a(n) = a^n.

因此,对于所有 x∈Rx \in \mathbf{R},我们用 axa^x 表示 fa(x)f_a(x); 函数 axa^x(对于a>0a > 0的所有值)称为*指数函数*。我们为所有 x∈Rx \in \mathbf{R} 提供了 1x=11^x = 1;如果a≠1a \neq 1,x→axx \to a^x是群R\mathbf{R}到群R+∗\mathbf{R}_+^*的*同构的*。

如果R+∗\mathbf{R}_+^*的a≠1a \neq 1、同构到x→axx \to a^x的倒数R\mathbf{R},称为基*aa的*对数,其在x∈R+∗x \in \mathbf{R}_+^*的值记为log⁡ax\log_a x。因此,有了这个记号,我们有

(1)

ax+y=axay(x∈R,y∈R,a>0); a^{x+y} = a^x a^y \qquad (x \in \mathbf{R}, y \in \mathbf{R}, a > 0);
(2)
a−x=1ax(x∈R,a>0); a^{-x} = \frac{1}{a^x} \qquad (x \in \mathbf{R}, a > 0);
(3)
log⁡a1=0,log⁡aa=1(a>0,a≠1); \log_a 1 = 0, \quad \log_a a = 1 \qquad (a > 0, a \neq 1);
(4)
log⁡a(xy)=log⁡ax+log⁡ay(x>0,y>0); \log_a (xy) = \log_a x + \log_a y \qquad (x > 0, y > 0);
(5)
log⁡a(1x)=−log⁡ax(x>0); \log_a \left( \frac{1}{x} \right) = -\log_a x \qquad (x > 0);
(6)
alog⁡ax=x(x>0); a^{\log_a x} = x \qquad (x > 0);
(7)
log⁡aax=x(x∈R). \log_a a^x = x \qquad (x \in \mathbf{R}).

到§ 1, no. 3的命题 5,R\mathbf{R}到R+∗\mathbf{R}_+^*的每一个连续的同态都是形式y→axyy \to a^{xy},其中x∈Rx \in \mathbf{R};因为当y=1y = 1是axa^x时它是值,所以我们有相同的

(8)

(ax)y=axy(x∈R, y∈R, a>0), (a^x)^y = a^{xy} \qquad (x \in \mathbf{R}, \ y \in \mathbf{R}, \ a > 0),
或者,改变记号,

(9)

xy=ay⋅log⁡ax(x>0,y∈R,a>0,a≠1). x^y = a^{y \cdot \log_a x} \qquad (x > 0, y \in \mathbf{R}, a > 0, a \neq 1).

公式 (8) 表明,对于每个整数 n>0n > 0,我们都有(a1/n)n=a(a^{1/n})^n = a,这证明为第 n 个根* an\sqrt[n]{a} 引入记号 a1/na^{1/n}(在章 IV, § 3, no. 3 中定义)是合理的。

公式 (7) 和 (9) 表明

(10)

log⁡a(xy)=ylog⁡ax(x>0,y∈R), \log_a (x^y) = y \log_a x \qquad (x > 0, y \in \mathbf{R}),
或者,改变记号,

(11)

log⁡ax=log⁡ab⋅log⁡bx(x>0,a>0,b>0,a≠1,b≠1), \log_a x = \log_a b \cdot \log_b x \qquad (x > 0, a > 0, b > 0, a \neq 1, b \neq 1),
这是“变换 of 基”的公式。

最后,让我们获得拓扑群R∗\mathbf{R}^*的所有*连续同态*;如果gg是这样一个连续的同态,

log⁡a(g(ax)) \log_a (g(a^x))

是 R\mathbf{R} 到 R\mathbf{R} 的连续同态,因此 (§ 1, no. 3, 命题 5) 存在α∈R\alpha \in \mathbf{R},使得log⁡a(g(ax))=αx\log_a (g(a^x)) = \alpha x 对于所有x∈Rx \in \mathbf{R};因此,通过(8),g(x)=xαg(x) = x^\alpha对于所有x>0x > 0。因此我们有相同的

(12)

(xy)α=xαyα for all x>0,y>0 and α∈R. (xy)^\alpha = x^\alpha y^\alpha \text{ for all } x > 0, y > 0 \text{ and } \alpha \in \mathbf{R}.

由于公式 (4),其中约化每隔乘法到加法(唯一与习惯的系统很好地适应的运算),对数长期以来一直是数值计算中不可或缺的工具(参见历史注记) 章)。

当用于此目的时,基选择为a=10a = 10;并且有表给予值或函数 log⁡10x\log_{10} x(达到一定的近似值)。在数学分析中,一个人被引导到选择一个不同的基(用ee表示),即lim⁡x→1,x≠1log⁡ex(x−1)=1\lim_{x \to 1, x \neq 1} \frac{\log_e x}{(x - 1)} = 1(cf.习题1)。

2. 函数 axa^x 和 log⁡ax\log_a x 的行为

通过章IV, § 2, no. 6的定理5,如果a≠1,x→axa \neq 1, x \to a^x是R\mathbf{R}的严格单调映射到区间R+∗=]0,+∞[\mathbf{R}_+^* = ]0, + \infty[。如果a>1a > 1,我们有a1=a≥1=a0a^1 = a \geq 1 = a^0,因此axa^x是严格递增的;此外,由于R+∗\mathbf{R}_+^*没有上界,axa^x在R\mathbf{R}中也没有上界,因此

lim⁡x→+∞ax=+∞(a>1) \lim_{x \to +\infty} a^x = +\infty \quad (a > 1)

并且,通过(2),

lim⁡x→−∞ax=0(a>1). \lim_{x \to -\infty} a^x = 0 \quad (a > 1).

另一方面,如果a<1a < 1、函数axa^x为严格递减,当xx趋于+∞+\infty时趋于0,当xx趋于−∞-\infty时趋于+∞+\infty(图1)。

!显示 y = a^x (a > 1) 和 y = a^x (a < 1) 的图表

图 1.

!图表显示 y = log_a x (a > 1) 和 y = log_a x (a < 1)

图 2.

从这些属性和 (12) 中,我们推断出,如果 0<a<b0 < a < b,则对于 x>0x > 0,我们有 ax<bxa^x < b^x,对于 x<0x < 0,我们有 ax>bxa^x > b^x;如果x>0x > 0则为(ba)x>1\left(\frac{b}{a}\right)^x > 1,如果x<0x < 0则为(ba)x<1\left(\frac{b}{a}\right)^x < 1。

R+∗\mathbf{R}_+^*中log⁡ax\log_a x的行为是从R\mathbf{R}中axa^x的行为推导出来的;如果a>1a > 1、函数log⁡ax\log_a x为严格递增的,当xx趋向于00时趋向于−∞-\infty,并且当xx趋向于+∞+\infty时趋向于+∞+\infty;如果a<1a < 1、函数log⁡ax\log_a x为严格递减,当xx趋向00时趋向于+∞+\infty,当xx趋于+∞+\infty时趋于−∞-\infty(图2)。

函数 axa^x(分别为log⁡ax\log_a x),视为在延长线R‾\overline{\mathbf{R}}的子集上定义,并在R‾\overline{\mathbf{R}}中取其值,可以*通过连续性*扩展到R‾\overline{\mathbf{R}}(分别为[0,+∞][0, +\infty]的区间) R‾\overline{\mathbf{R}})通过将其限制值分配给点+∞+\infty和−∞-\infty(分别为00和+∞+\infty)。

More generally, formula (9) shows that the function xyx^y is continuous on the subspace R+∗×R\mathbf{R}_+^* \times \mathbf{R} of R‾2\overline{\mathbf{R}}^2 and tends to a limit when (x,y)(x, y) tends to any point (a,b)(a, b) of R‾2\overline{\mathbf{R}}^2 which lies in the closure of R+∗×R\mathbf{R}_+^* \times \mathbf{R}, with the exception of the points (0,0)(0, 0), (+∞,0)(+\infty, 0), (1,+∞)(1, +\infty), (1,−∞)(1, -\infty). 因此,我们可以通过连续到R‾2\overline{\mathbf{R}}^2的点(其中极限存在)来得到扩展xyx^y;通过扩张的原理恒等式(章 I, § 8, no. 1、命题 2,推论 1),公式 (1)、(4) 和 (8) 只要双方都有意义,就仍然有效。

注扩张通过xyx^y的连续性不允许我们获得公式00=10^0 = 1。

注另外,指数的定义允许我们对所有 a>0a > 0 定义在 Z\mathbf{Z} 上的扩展到 R\mathbf{R} 函数 n→ann \to a^n;但是当 a<0a < 0 时,我们并没有通过这种方式获得这个函数的任何扩张;这个函数的“自然”扩张只能在解析函数理论的项中定义。

3. 数 >0> 0 的可乘族

拓扑群R\mathbf{R}和R+∗\mathbf{R}_+^*的同构立即表明,对于有限实数>0> 0的族(xi)(x_i)来说,要*可乘*(章IV, § 7, no. 4),族(log⁡axi)(\log_a x_i)应该是*可求和*(aa是任何数>0> 0和≠1\neq 1);我们有

∏ixi=a∑log⁡axi. \prod_i x_i = a^{\sum \log_a x_i}.

同样,由有限数 >0> 0 的序列 (1+un)(1 + u_n) 定义的无限乘积 收敛 (章 IV, § 7, no. 6) 当且仅当级数收敛,其一般项为 log⁡a(1+un)\log_a (1 + u_n) 收敛,然后我们有

∏n=0∞(1+un)=aSn=0∞log⁡a(1+un). \prod_{n=0}^{\infty} (1 + u_n) = a^{S_{n=0}^{\infty} \log_a (1 + u_n)}.

因此,对实数>0> 0的无穷乘积的研究就简化为对实数的无穷级数的研究,其中项出现在对数的形式中;稍后我们将看到如何通过对数的微分性质来轻松研究这种性质的和。

习题

参见习题为 § 4。

Google 翻译生成的粗略草稿,质量较低。术语依照术语表,但句子可能有误;之后会由仔细的译文取代。