幂函数的定义域(幂函数的定义域可以为负的吗)






奇妙的幂函数



本文作者:刘瑞祥,[遇见数学]感谢刘老师一直来关注支持!


幂函数的奇妙之处首先在于这个“幂”字,据说最早的含义是盖在平面上的布,大概类似于桌布之类,所以下面有个“巾”,后来就引申为面积,所谓“幂势既同,则积不容异”(祖暅原理),最后成了乘积结果的名词。


幂函数的图像多种多样,一般限定指数为有理数 m/n,图像包括以下十种,定义域、值域、对称性、增减性、凹凸性各不相同。大家能不能根据图像判断 m 和 n 的关系呢:

奇妙的幂函数



在五种基本的初等函数中,指数函数和对数函数互为反函数,三角函数和反三角函数互为反函数,只有幂函数的反函数(如果存在)仍然是幂函数,甚至有两个特殊的幂函数其反函数纹丝不变,多么奇妙?


接下来我们要说的是,在现实世界中,往往可能知道一个量和另一个量的若干次方成正比,却不知道具体的指数应该是多少,这时就需要对数大显身手:把变量按照对数标出来,然后可以把图像变成一条直线,从直线的斜率计算出指数,然后再看该直线在坐标轴上的截距,得到比例常数。


在物理课上学习量纲的时候,我们知道,五种基本初等函数中的四种——指数函数、对数函数、三角和反三角函数,变量必须是“零量纲”的,比如 y=e^x 中的 x 就不能有单位,只能是纯数,当然公式可能是 y=e^(at) 的形式,其中 t 如果具有[时间]量纲,则 a 具有[时间]^-1 的量纲。但幂函数不会受此限制,自变量就大大方方地具有各种时间、长度、质量乃至它们的组合等等量纲。


说起幂函数的奇妙,肯定不能离开泰勒展式。这个式子可以把各种形式不同的函数表示成为一系列幂级数的和,真是不可思议。而且我们会发现,如果只取幂级数前面的几项,那么复杂问题就会被归结为非常简单的情形。范德瓦尔斯气体方程是这样,相对论的动能公式也是这样。

奇妙的幂函数

▲ 如果仅保留最右边第一项则变为理想气体状态方程






奇妙的幂函数

▲低速情况下v<<c,所以不考虑v2/c2的高次方


同样,在几何光学里,因为折射公式涉及三角函数,所以我们不得不采取所谓“近轴近似”,也就是利用代替(当接近于 0 时)。即便如此,推导公式的时候也够麻烦了。


▼ 《几何光学》,王天谡,北京教育出版社 1989 年版

奇妙的幂函数



想一想如果要进一步研究,就要将正弦函数展开到三次或者更高次,计算就更复杂了,真是头大。

奇妙的幂函数



除了以上所说,在利用“分部积分法”进行不定积分时,幂函数还是位于“居中”地位的函数,这也就是著名的“指三幂反对”顺序。这个顺序的意思是,如果被积函数是两个不同种类函数的乘积,那应该按照这个顺序进行变换(为简单起见,以下都是以 y=x 作为幂函数的代表):

奇妙的幂函数



▲ 先把指数函数放到 d 的后面






奇妙的幂函数



▲ 先把三角函数放到 d 的后面

奇妙的幂函数



▲ 先把幂函数放到 d 的后面

奇妙的幂函数



▲ 先把幂函数放到 d 的后面

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