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换个姿势学数学:幂是个什么鬼?

换个姿势学数学:幂是个什么鬼?

作者: d61f25068828 | 来源:发表于2019-02-23 11:15 被阅读132次

    UX011

    复数就暂时谈到这里,言归正传我们开始继续谈函数。

    第一个要谈的是“幂函数”,它是最简单的“基本初等函数”,之后谈“幂函数”的逆运算:“求指数”和“求底数”。

    同鞋:纳尼?什么叫做“幂”?我完全给忘掉了。

    老湿:那我们就先从“幂”谈起好了。。。

    老湿

    幂是个什么鬼?

    不是翻译的锅

    我们经常可以看到这种形式的式子c=a^b

    a叫做底数,这个很好理解,“在底下的数”。b叫做指数,指数是什么意思呢?意思就是,“在上面的数”。

    指:直立;竖起。《鸿门宴》:“头发上指,目眦尽裂。”-《古汉语词典》

    你可能觉得非常Low,但是没办法,因为这种运算非常抽象,出现的也很晚,很难找到一个简洁的现实对应物。

    并不是翻译的问题,其实在英语中本来就是这个意思。

    幂运算

    在英文中指数叫做exponent,字面上(词根)理解就是“放在右上角的”。

    还有一种表示方法是index,也就是“序号”;当然还有用power的,我猜之所以这么用,可能是因为“幂运算”比乘法更强,所以更有power?

    这个稍微有新意一点,但用的好像也并不多,主要还是用exponent(指数),据说这个词是笛卡尔造的。

    毫无新意的命名

    ➣那话说回来,幂是什么意思?

    “幂”就是c=a^b中的c,也就是”幂运算“的结果.

    其实也是表示位置关系,“幂”在古代的意思,就是“盖着方巾”,从位置方面描述就是“上面有个东西”。

    “幂运算”就是在某数字上面“盖一个数字”。

    共巾可以覆物。祭祀以疏布巾冪八尊,以畫布巾冪八彝。-《康熙字典》

    ➣为什么也叫做“方”?

    这个可能就有点类似于“power”了,是一种表意,而不是表位置。

    “方”的意思是“一块地”,因为最早最常用的幂运算就是​2次的,就是用来计算“面积”的,这个非常好理解。

    所以,“方”和“幂”是一个意思,只是命名逻辑不同的。

    2^2 可以叫做 “22次幂”,也可以叫做“22次方”。

    <名> 形, 与 “圆” 相对。《促织》:“形若土狗, 梅花翅, 首, 长颈。” -《古汉语词典》

    到底什么是幂函数?

    幂函数就是y=x^a​这种形式的函数。

    ➣为什么不是y=a^x​

    其实这也是一个函数

    c=a^b这个式子,如果把其中的两个值分别变成x(参数)和y(输出值),那么它就变成一个函数 。

    很显然,从这种式子中可以演化出三种函数 :“幂函数”,“指数函数”,“对数函数”,它们互为逆运算。

    之所以幂函数是幂函数是y=x^a而不是y=a^x,就是因为这个函数,在生活中最常见。

    前面提到过,计算“幂”的需求,来源于计算“方”,也就是面积,所以在最初的时候就是固定的,a=2

    在古代,只要种地就会用到这种计算, 所以这个好名字就先被他给占了。

    y=a^x​也是幂运算,但就没法用这个名字,只能用指数函数​,也就是用函数的参数​来命名,从这个意义上来讲幂函数​也可以叫底数函数​

    为什么要学习幂函数?

    之前说过,所有的初等函数,都是由基本初等函数,经过运算得来的。

    幂函数又是“基本初等函数”中最简单的,自然要从这里开始学起。

    幂函数之前好像谈过,为什么还说呢?

    之前谈的其实都是“非负次幂整数”的幂函数,也就是当a∈N​的情况。

    现在我们要谈的是非自然的抽象情况,扩展两次,首先是扩展到Z​,也就是加入负数​;之后扩展到Q​,也就是加入分数​

    幂运算法则

    扩展到负整数

    a<0幂运算的意义是什么呢?

    一涉及到负数就很抽象了。

    2^{2}非常好理解,他的意思就是2自乘2次也就是2×2

    但是2自乘负的某次,简直就是不可能的。比如2^{-1},这到底是什么意思呢?

    所以,扩展到负数之后,就没有一个很直观的解释。

    探索新的运算规则,最重要的是考虑兼容性,那我们就单纯从运算来解释a<0幂运算。

    从兼容性考虑意义

    ➣幂运算的规则是什么?

    最显而易见的规则其实是乘法和除法,因为幂运算本身就是自乘2^2·2^2就等于2^4,乘法就是“指数相加”;反之,除法是“指数相减”。

    “减法”和“负”是一回事,那么a<0​的意思很可能就是除法。

    可以用简单的具体例子来验证一下:

    2^1×2^{-1}=2^1÷2^{1}=2^0=1
    2^2×2^{-1}=2^2÷2^{1}=2^1=2

    的确是没问题的。

    为什么a^0=1

    余先生在知乎上的回答

    余先生的回答,我不赞同,因为太复杂。[1]

    a^0=1是非常自然的推论,不需要花费这么多笔墨。

    因为,a^0×a^n=a^{0+n}=a^{n},所以为了兼容乘法和幂运算的规则,a^0只能是1

    幂函数的性质

    之所以先讲“幂函数”,也是因为之前,其实我们一直都在接触,所以大部分的性质我们已经知道了。

    这里我贴一下教辅上的图片。

    幂函数性质

    以前没有说过的,主要就是指数为分数时(a∈Q)的图像。

    y=x^{\frac{1}{2}}

    这就是二次函数的反函数,也就是把二次函数的xy互换。

    如果限制y∈R​,那么定义域是x>=0​

    二次函数的图像是个抛物线,把这个图像转个角度,自然还是抛物线。

    二次函数和其反函数

    y=x^{\frac{1}{3}}

    三次函数的反函数。

    三次函数的反函数

    y=x^{-\frac{1}{2}}

    根据上面谈到的运算法则,可以把它改写为 y=\frac{1}{\sqrt{x}}

    它可以看成是一个正比例函数和y=x^{\frac{1}{2}}​的复合函数。

    限制y∈R​。因为正比例函数要求x≠0​y=x^{\frac{1}{2}}​要求x>=0​,复合函数的定义域是两个集合的并集。

    所以就是x>0

    函数的复合

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