指数把重复乘法推广到更一般的指数;对数反过来求“应当取多少次幂”。
从整数指数到实数指数
正整数 n 次幂定义为 n 个相同因子的乘积:
an=n 个a⋅a⋯a.
a 称为底数,n 称为指数。正整数指数允许任意实底数。为保持乘法规律,对 a=0 规定
a0=1,a−n=an1(n∈N+).
零的正整数次幂为零;这里不定义 00 和零的负次幂。
正底数的有理指数幂
设 a>0,m∈Z,n∈N+,定义
am/n=(na)m=nam.
根号表示唯一的正 n 次方根。这个定义不依赖分数的写法:若 m/n=p/q,则两个正数 am/n、ap/q 的 nq 次幂分别为 amq、apn,两者相等;正数的 nq 次幂严格递增,故两个正数相同。
无理指数怎样定义
对 a>1 和任意实数 x,可定义
ax=sup{ar:r∈Q, r≤x}.
集合非空且有上界:取整数 m≤x<n,则它含 am,且每项不超过 an。这里使用实数的确界性质。这一定义在有理 x 处保持原值,并且等价于用有理数指数逼近 x。对 0<a<1,定义 ax=(1/a)−x;对 a=1,定义 1x=1。
本手册采用由实数连续性理论保证的基本性质:正底数的指数函数连续,并保持下面列出的指数运算法则。有理指数时这些法则由乘法和正根的唯一性直接证明;实指数时取有理数逼近,利用连续性传递等式。
指数运算法则与条件
设 a,b>0,r,s∈R。则
| 运算 |
公式 |
| 同底数相乘 |
aras=ar+s |
| 同底数相除 |
ar/as=ar−s |
| 幂再乘方 |
(ar)s=ars |
| 积的乘方 |
(ab)r=arbr |
| 商的乘方 |
(a/b)r=ar/br |
| 取倒数 |
a−r=1/ar |
有理指数情形的证明。 先取 r=m/n,s=p/q,用公分母 nq 把同底数相乘归为同一个正根的整数次幂相乘,得到第一式。相除、倒数同理。对于积的乘方,(nanb)n=ab,正根唯一性给 nab=nanb,再作整数次幂。对于幂再乘方,(am/n)p/q 与 amp/(nq) 均为正数,其 nq 次幂都是 amp,故相等。商法则由积法则和倒数公式得到。实指数推广采用指数定义中说明的连续性。
若所有指数都是整数,相应公式也可用于负底数,但涉及负指数或分母时底数不能为零。分数指数遇到负底数必须单独检查实数意义,不能机械地套用幂再乘方:例如
((−1)2)1/2=1=−1=(−1)2⋅(1/2).
因此在一般实指数公式表中明确要求正底数。
对数:指数运算的逆问题
设 a>0 且 a=1。对任意 M>0,存在唯一实数 t 使 at=M,这个数称为以 a 为底 M 的对数,记为 logaM。其中 a 为底数,M 为真数:
at=M⟺logaM=t.
存在唯一性来自指数函数连续、严格单调且值域为 (0,+∞)。对数本身可以为正、负或零。由定义立即得到
loga1=0,logaa=1,alogaM=M (M>0),loga(at)=t (t∈R).
常用对数记为 lgM=log10M;自然对数记为 lnM=logeM,其中 e 为自然指数函数的底数。
对数函数的基本性质
y=logax 的定义域为 (0,+∞),值域为 R,图像过 (1,0),是 y=ax 的图像关于直线 y=x 的反射。因反函数保持严格单调方向,a>1 时递增,0<a<1 时递减。
| 底数 |
0<x<1 |
x=1 |
x>1 |
| a>1 |
logax<0 |
logax=0 |
logax>0 |
| 0<a<1 |
logax>0 |
logax=0 |
logax<0 |
比较不同底数时要固定真数。例如 1<a<b,换底公式给 logbx=(lna/lnb)logax,比例系数在 (0,1),即图像向横轴压缩;0<a<b<1 时则 logax=(lnb/lna)logbx,同样是一个 (0,1) 内的比例。不能把“较平缓”直接理解为所有函数值都较小:负函数值经压缩反而变大。
对数运算法则、换底公式及证明
以下 a>0,a=1,M,N,N1,…,Nk>0,r∈R,n,k∈N+。有
loga(MN)loga(M/N)loga(Mr)loganMloga(N1⋯Nk)=logaM+logaN,=logaM−logaN,=rlogaM,=n1logaM,=j=1∑klogaNj.
证明。 令 u=logaM,v=logaN,则 M=au,N=av。指数法则给 MN=au+v、M/N=au−v、Mr=aru。按对数定义,前三式分别成立。第四式取 r=1/n;最后一式反复使用乘积公式,或对因子个数归纳。
若另有 b>0,b=1,则
logbM=logablogaM,logba=logab1.
换底证明。 令 t=logbM,有 M=bt。两边取以 a 为底的对数,得 logaM=tlogab。由于 b=1,分母 logab=0,所以可以相除。再取 M=a 得倒数关系。
特别地,对 r=0,底数 ar 仍为正且不等于 1,故
logarM=r1logaM.
这条底数幂公式要求 r=0,因为 r=0 时底数变为 1,对数不再有定义。
例:对数方程先列条件再合并
解 log2(x−1)+log2(x+1)=3。原式要求 x−1>0 且 x+1>0,即 x>1。在此条件下可等价合并:
log2(x2−1)=3⟺x2−1=8⟺x=±3.
由定义域只保留 x=3。如果一开始直接合并,x<−1 时虽然 x2−1>0,原来的两个对数却都无意义。
对数的和对应真数的积,loga(M+N) 一般不能拆成两个对数之和。
易错点
loga(x+y) 没有拆成两个对数的规则。loga(x2)=2loga∣x∣ 对 x=0 成立;写成 2logax 会遗漏负数。底数小于 1 时对数函数递减,解不等式需反向。
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先修:分式、根式与等价变形。
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