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4. 指数和对数
1. a x a^x a x 和 log a x \log_a x log a x 的定义
乘法群* R + ∗ \mathbf{R}_+^* R + ∗ of 实数 > 0 > 0 > 0 是群同构于加法群 R \mathbf{R} 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[ R + ∗ = ] 0 , + ∞ [ 是R \mathbf{R} R 的开区间,因此与R \mathbf{R} 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} R 。
从推论到§ 1, no. 3的命题 5,对于每个数a > 0 a > 0 a > 0 ,R \mathbf{R} R 到R + ∗ \mathbf{R}_+^* R + ∗ 都有一个唯一的连续同态f a f_a f a ,使得f a ( 1 ) = a f_a(1) = a f a ( 1 ) = a 。因此,对于所有x ∈ R x \in \mathbf{R} x ∈ R 和所有y ∈ R y \in \mathbf{R} y ∈ R ,我们有
f a ( x + y ) = f a ( x ) f a ( y ) , f a ( − x ) = 1 f a ( x ) ,
f_a(x + y) = f_a(x) f_a(y), \qquad f_a(-x) = \frac{1}{f_a(x)},
f a ( x + y ) = f a ( x ) f a ( y ) , f a ( − x ) = f a ( x ) 1 ,
因此,特别是对于所有 n ∈ Z n \in \mathbf{Z} n ∈ Z ,
f a ( n ) = a n .
f_a(n) = a^n.
f a ( n ) = a n .
因此,对于所有 x ∈ R x \in \mathbf{R} x ∈ R ,我们用 a x a^x a x 表示 f a ( x ) f_a(x) f a ( x ) ; 函数 a x a^x a x (对于a > 0 a > 0 a > 0 的所有值)称为*指数函数*。我们为所有 x ∈ R x \in \mathbf{R} x ∈ R 提供了 1 x = 1 1^x = 1 1 x = 1 ;如果a ≠ 1 a \neq 1 a = 1 ,x → a x x \to a^x x → a x 是群R \mathbf{R} R 到群R + ∗ \mathbf{R}_+^* R + ∗ 的*同构的*。
如果R + ∗ \mathbf{R}_+^* R + ∗ 的a ≠ 1 a \neq 1 a = 1 、同构到x → a x x \to a^x x → a x 的倒数R \mathbf{R} R ,称为基*a a a 的*对数,其在x ∈ R + ∗ x \in \mathbf{R}_+^* x ∈ R + ∗ 的值记为log a x \log_a x log a x 。因此,有了这个记号,我们有
(1)
a x + y = a x a y ( x ∈ R , y ∈ R , a > 0 ) ;
a^{x+y} = a^x a^y \qquad (x \in \mathbf{R}, y \in \mathbf{R}, a > 0);
a x + y = a x a y ( x ∈ R , y ∈ R , a > 0 ) ; (2)
a − x = 1 a x ( x ∈ R , a > 0 ) ;
a^{-x} = \frac{1}{a^x} \qquad (x \in \mathbf{R}, a > 0);
a − x = a x 1 ( x ∈ R , a > 0 ) ; (3)
log a 1 = 0 , log a a = 1 ( a > 0 , a ≠ 1 ) ;
\log_a 1 = 0, \quad \log_a a = 1 \qquad (a > 0, a \neq 1);
log a 1 = 0 , log a a = 1 ( a > 0 , a = 1 ) ; (4)
log a ( x y ) = log a x + log a y ( x > 0 , y > 0 ) ;
\log_a (xy) = \log_a x + \log_a y \qquad (x > 0, y > 0);
log a ( x y ) = log a x + log a y ( x > 0 , y > 0 ) ; (5)
log a ( 1 x ) = − log a x ( x > 0 ) ;
\log_a \left( \frac{1}{x} \right) = -\log_a x \qquad (x > 0);
log a ( x 1 ) = − log a x ( x > 0 ) ; (6)
a log a x = x ( x > 0 ) ;
a^{\log_a x} = x \qquad (x > 0);
a l o g a x = x ( x > 0 ) ; (7)
log a a x = x ( x ∈ R ) .
\log_a a^x = x \qquad (x \in \mathbf{R}).
log a a x = x ( x ∈ R ) .
到§ 1, no. 3的命题 5,R \mathbf{R} R 到R + ∗ \mathbf{R}_+^* R + ∗ 的每一个连续的同态都是形式y → a x y y \to a^{xy} y → a x y ,其中x ∈ R x \in \mathbf{R} x ∈ R ;因为当y = 1 y = 1 y = 1 是a x a^x a x 时它是值,所以我们有相同的
(8)
( a x ) y = a x y ( x ∈ R , y ∈ R , a > 0 ) ,
(a^x)^y = a^{xy} \qquad (x \in \mathbf{R}, \ y \in \mathbf{R}, \ a > 0),
( a x ) y = a x y ( x ∈ R , y ∈ R , a > 0 ) , 或者,改变记号,
(9)
x y = a y ⋅ log a x ( 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).
x y = a y ⋅ l o g a x ( x > 0 , y ∈ R , a > 0 , a = 1 ) .
公式 (8) 表明,对于每个整数 n > 0 n > 0 n > 0 ,我们都有( a 1 / n ) n = a (a^{1/n})^n = a ( a 1/ n ) n = a ,这证明为第 n 个根* a n \sqrt[n]{a} n a 引入记号 a 1 / n a^{1/n} a 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 ( x y ) = y log a x ( x > 0 , y ∈ R ) ,
\log_a (x^y) = y \log_a x \qquad (x > 0, y \in \mathbf{R}),
log a ( x y ) = y log a x ( x > 0 , y ∈ R ) , 或者,改变记号,
(11)
log a x = log a b ⋅ log b x ( 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),
log a x = log a b ⋅ log b x ( x > 0 , a > 0 , b > 0 , a = 1 , b = 1 ) , 这是“变换 of 基”的公式。
最后,让我们获得拓扑群R ∗ \mathbf{R}^* R ∗ 的所有*连续同态*;如果g g g 是这样一个连续的同态,
log a ( g ( a x ) )
\log_a (g(a^x))
log a ( g ( a x ))
是 R \mathbf{R} R 到 R \mathbf{R} R 的连续同态,因此 (§ 1, no. 3, 命题 5) 存在α ∈ R \alpha \in \mathbf{R} α ∈ R ,使得log a ( g ( a x ) ) = α x \log_a (g(a^x)) = \alpha x log a ( g ( a x )) = α x 对于所有x ∈ R x \in \mathbf{R} x ∈ R ;因此,通过(8),g ( x ) = x α g(x) = x^\alpha g ( x ) = x α 对于所有x > 0 x > 0 x > 0 。因此我们有相同的
(12)
( x y ) α = x α y α 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}.
( x y ) α = x α y α for all x > 0 , y > 0 and α ∈ 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 = 10 a = 10 a = 10 ;并且有表给予值或函数 log 10 x \log_{10} x 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e e e 表示),即lim x → 1 , x ≠ 1 log e x ( x − 1 ) = 1 \lim_{x \to 1, x \neq 1} \frac{\log_e x}{(x - 1)} = 1 lim x → 1 , x = 1 ( x − 1 ) l o g e x = 1 (cf.习题1)。
2. 函数 a x a^x a x 和 log a x \log_a x log a x 的行为
通过章IV, § 2, no. 6的定理5,如果a ≠ 1 , x → a x a \neq 1, x \to a^x a = 1 , x → a x 是R \mathbf{R} R 的严格单调映射到区间R + ∗ = ] 0 , + ∞ [ \mathbf{R}_+^* = ]0, + \infty[ R + ∗ = ] 0 , + ∞ [ 。如果a > 1 a > 1 a > 1 ,我们有a 1 = a ≥ 1 = a 0 a^1 = a \geq 1 = a^0 a 1 = a ≥ 1 = a 0 ,因此a x a^x a x 是严格递增的;此外,由于R + ∗ \mathbf{R}_+^* R + ∗ 没有上界,a x a^x a x 在R \mathbf{R} R 中也没有上界,因此
lim x → + ∞ a x = + ∞ ( a > 1 )
\lim_{x \to +\infty} a^x = +\infty \quad (a > 1)
x → + ∞ lim a x = + ∞ ( a > 1 )
并且,通过(2),
lim x → − ∞ a x = 0 ( a > 1 ) .
\lim_{x \to -\infty} a^x = 0 \quad (a > 1).
x → − ∞ lim a x = 0 ( a > 1 ) .
另一方面,如果a < 1 a < 1 a < 1 、函数a x a^x a x 为严格递减,当x x x 趋于+ ∞ +\infty + ∞ 时趋于0,当x x x 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 < b 0 < a < b 0 < a < b ,则对于 x > 0 x > 0 x > 0 ,我们有 a x < b x a^x < b^x a x < b x ,对于 x < 0 x < 0 x < 0 ,我们有 a x > b x a^x > b^x a x > b x ;如果x > 0 x > 0 x > 0 则为( b a ) x > 1 \left(\frac{b}{a}\right)^x > 1 ( a b ) x > 1 ,如果x < 0 x < 0 x < 0 则为( b a ) x < 1 \left(\frac{b}{a}\right)^x < 1 ( a b ) x < 1 。
R + ∗ \mathbf{R}_+^* R + ∗ 中log a x \log_a x log a x 的行为是从R \mathbf{R} R 中a x a^x a x 的行为推导出来的;如果a > 1 a > 1 a > 1 、函数log a x \log_a x log a x 为严格递增的,当x x x 趋向于0 0 0 时趋向于− ∞ -\infty − ∞ ,并且当x x x 趋向于+ ∞ +\infty + ∞ 时趋向于+ ∞ +\infty + ∞ ;如果a < 1 a < 1 a < 1 、函数log a x \log_a x log a x 为严格递减,当x x x 趋向0 0 0 时趋向于+ ∞ +\infty + ∞ ,当x x x 趋于+ ∞ +\infty + ∞ 时趋于− ∞ -\infty − ∞ (图2)。
函数 a x a^x a x (分别为log a x \log_a x log a x ),视为在延长线R ‾ \overline{\mathbf{R}} R 的子集上定义,并在R ‾ \overline{\mathbf{R}} R 中取其值,可以*通过连续性*扩展到R ‾ \overline{\mathbf{R}} R (分别为[ 0 , + ∞ ] [0, +\infty] [ 0 , + ∞ ] 的区间) R ‾ \overline{\mathbf{R}} R )通过将其限制值分配给点+ ∞ +\infty + ∞ 和− ∞ -\infty − ∞ (分别为0 0 0 和+ ∞ +\infty + ∞ )。
More generally, formula (9) shows that the function x y x^y x y is continuous on the subspace R + ∗ × R \mathbf{R}_+^* \times \mathbf{R} R + ∗ × R of R ‾ 2 \overline{\mathbf{R}}^2 R 2 and tends to a limit when ( x , y ) (x, y) ( x , y ) tends to any point ( a , b ) (a, b) ( a , b ) of R ‾ 2 \overline{\mathbf{R}}^2 R 2 which lies in the closure of R + ∗ × R \mathbf{R}_+^* \times \mathbf{R} R + ∗ × R , with the exception of the points ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) , ( + ∞ , 0 ) (+\infty, 0) ( + ∞ , 0 ) , ( 1 , + ∞ ) (1, +\infty) ( 1 , + ∞ ) , ( 1 , − ∞ ) (1, -\infty) ( 1 , − ∞ ) . 因此,我们可以通过连续到R ‾ 2 \overline{\mathbf{R}}^2 R 2 的点(其中极限存在)来得到扩展x y x^y x 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x y x^y x y 的连续性不允许我们获得公式0 0 = 1 0^0 = 1 0 0 = 1 。
注另外,指数的定义允许我们对所有 a > 0 a > 0 a > 0 定义在 Z \mathbf{Z} Z 上的扩展到 R \mathbf{R} R 函数 n → a n n \to a^n n → a n ;但是当 a < 0 a < 0 a < 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 > 0 的可乘族
拓扑群R \mathbf{R} R 和R + ∗ \mathbf{R}_+^* R + ∗ 的同构立即表明,对于有限实数> 0 > 0 > 0 的族( x i ) (x_i) ( x i ) 来说,要*可乘*(章IV, § 7, no. 4),族( log a x i ) (\log_a x_i) ( log a x i ) 应该是*可求和*(a a a 是任何数> 0 > 0 > 0 和≠ 1 \neq 1 = 1 );我们有
∏ i x i = a ∑ log a x i .
\prod_i x_i = a^{\sum \log_a x_i}.
i ∏ x i = a ∑ l o g a x i .
同样,由有限数 > 0 > 0 > 0 的序列 ( 1 + u n ) (1 + u_n) ( 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 + u n ) \log_a (1 + u_n) log a ( 1 + u n ) 收敛,然后我们有
∏ n = 0 ∞ ( 1 + u n ) = a S n = 0 ∞ log a ( 1 + u n ) .
\prod_{n=0}^{\infty} (1 + u_n) = a^{S_{n=0}^{\infty} \log_a (1 + u_n)}.
n = 0 ∏ ∞ ( 1 + u n ) = a S n = 0 ∞ l o g a ( 1 + u n ) .
因此,对实数> 0 > 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 。