- MATH.APP.120
- 1. Alkeisfunktiot
- 1.2 Potenssi- ja juurifunktiot
Potenssi- ja juurifunktiot¶
Määritelmä 1.2.1
Potenssifunktio (power function) \(f(x)=x^n\) positiivisille kokonaisluvuille \(n\) määritellään asettamalla
Lukua \(x\) kutsutaan kantaluvuksi ja lukua \(n\) eksponentiksi. Erityisesti sanotaan, että \(x^2\) on luvun \(x\) neliö ja \(x^3\) luvun \(x\) kuutio.
Havainnollistetaan potenssifunktioita piirtämällä niiden kuvaajia. Parittomilla eksponenteilla \(x^n\) on negatiivinen, kun \(x\) on negatiivinen, ja parillisilla eksponenteilla \(x^n\) on aina ei-negatiivinen. Perustele tämä itsellesi potenssifunktion määritelmän avulla.
Potenssifunktion määritelmästä seuraa suoraan, että
Myös muut tutut eksponenttien laskusäännöt voidaan johtaa vastaavasti määritelmästä.
missä \(x\) ja \(y\) ovat reaalilukuja, sekä \(n\) ja \(m\) positiivisia kokonaislukuja.
Määritelmä 1.2.2
Olkoon \(n\) positiivinen kokonaisluku. Potenssifunktio \(x^{-n}\) negatiivisille eksponenteille määritellään asettamalla
kun \(x \not= 0\).
Tarkastellaan vielä, mitä voisi olla \(x^0\). Koska esimerkiksi \(0 = 1 - 1\), niin silloin kun \(x \not= 0\), on voimassa
Siis \(x^0 = 1\), kunhan \(x \not= 0\). Lauseke \(0^0\) on epämääräinen, eikä sille tule asettaa arvoa ilman erityistä harkintaa. Näin on saatu määriteltyä potenssifunktio \(f(x)=x^n\) määritellyksi kaikilla \(n\in\Z\). Kun \(n\le0\), funktio \(f\) on määritelty vain nollasta poikkeavilla reaaliluvuilla.
On melko suoraviivaista todistaa, että eksponenttien laskusäännöt ovat voimassa myös ei-positiivisille eksponenteille, kunhan kaikki lausekkeen osat on määritelty. Tarkastellaan esimerkiksi ensimmäistä lakia tapauksessa \(n\ge0\) ja \(m<0\).
eli \(x^nx^m = x^{n + m}\).
Lause 1.2.3
Potenssifunktio \(x^n\), missä \(n\) on positiivinen kokonaisluku, toteuttaa seuraavat ehdot.
- Jos \(n\) on pariton, niin \(x^n < y^n\) aina, kun \(x < y\).
- Jos \(n\) on parillinen ja \(x, y \geq 0\), niin \(x^n < y^n\) aina, kun \(x < y\).
Havainnollistetaan todistusta muutamissa tapauksissa, joissa \(n\) on pieni positiivinen kokonaisluku. Olkoon \(x < y\). Jos \(n = 1\), niin väite on selvä. Jos \(n = 2\) ja sekä \(x\) että \(y\) ei-negatiivisia, niin reaalilukujen järjestysaksioomien nojalla
Jos \(n = 3\), niin käsitellään useampi tapaus
- \(x, y \geq 0\). Tällöin edellä osoitetun nojalla \(x^2 < y^2\), ja vastaavasti osoitetaan, että \(x^3 < y^3\).
- \(x < 0\) ja \(y \geq 0\). Jos \(x^2 < y^2\), niin \(x^3 = x \cdot x^2 < yx^2 \leq y \cdot y^2 = y^3\), sillä \(x < y\) ja \(x^2 > 0\). Jos puolestaan \(x^2 \geq y^2\), niin järjestysaksioomien nojalla \(x^3 \leq xy^2 < y \cdot y^2 = y^3\).
- \(x, y < 0\). Tällöin \(-x\) ja \(-y\) ovat positiivisia reaalilukuja, joille \(-y < -x\). Täten aiemmin osoitetun nojalla \((-y)^2 = y^2 < x^2 = (-x)^2\), ja edelleen järjestysaksioomien nojalla \(x^3 < xy^2 < y^3\).
Täsmällinen todistus muille positiivisille kokonaisluvuille \(n\) tapahtuu induktiolla.
Tämän tuloksen avulla voidaan määritellä potenssiin korotukselle käänteinen operaatio. Voidaan osoittaa, että yhtälöllä \(y^n = x\) on täsmälleen yksi reaalinen ratkaisu luvulle \(y\) silloin, kun
- \(n\) on pariton, tai
- \(n\) on parillinen ja \(x, y \geq 0\).
Yhtälön \(y^n = x\) yksikäsitteistä ratkaisua kutsutaan luvun \(x\) \(n\). juureksi ja merkitään \(\sqrt[n]{x}\). Jos \(n\) on parillinen, \(x > 0\) ja luvulle \(y\) ei aseteta rajoitteita, niin yhtälöllä on kuitenkin kaksi vastalukuratkaisua: jos \(y^n = x\), niin \((-y)^n = (-1)^ny^n = 1 \cdot y^n = x\). Tällöin juureksi valitaan yhtälön positiivinen ratkaisu.
Määritelmä 1.2.4
Olkoon \(n\) positiivinen kokonaisluku. Valitsemalla yhtälön \(y^n = x\) yksikäsitteinen tai positiivinen ratkaisu määritellään juurifunktio (root function) \(\sqrt[n]{x} = x^{\frac{1}{n}}\). Jos \(n\) on pariton, niin \(x\) on reaaliluku, ja jos \(n\) on parillinen, niin vaaditaan \(x \geq 0\). Erityisesti sanotaan, että \(\sqrt[2]{x} = \sqrt{x} = x^{\frac{1}{2}}\) on luvun \(x\) neliöjuuri ja \(\sqrt[3]{x} = x^{\frac{1}{3}}\) luvun \(x\) kuutiojuuri.
Lause 1.2.5
Jos \(x < y\), niin \(\sqrt[n]{x} < \sqrt[n]{y}\), kunhan molemmat lausekkeet on määritelty.
Juurifunktio ja potenssifunktio ikään kuin kumoavat toisensa, sillä ne toteuttavat ehdot
missä parillisilla \(n\) sekä \(x\) että \(y\) ovat ei-negatiivisia.
Lause 1.2.6
Jos \(n\) on parillinen positiivinen kokonaisluku ja \(x\) reaaliluku, niin \(\sqrt[n]{x^n} = |x|\).
Olkoon \(n\) parillinen positiivinen kokonaisluku. Jos \(x \geq 0\), niin määritelmien nojalla \(\sqrt[n]{x^n} = x\). Jos puolestaan \(x < 0\), niin \(x^n > 0\), eli juurilauseke \(y = \sqrt[n]{x^n}\) on määritelty. Yhtälön \(y^n = x^n\) ratkaisut luvulle \(y\) ovat \(x\) ja \(-x\), joista \(-x\) on positiivinen. Täten \(\sqrt[n]{x^n} = -x\). Yhteenvetona siis
eli \(\sqrt[n]{x^n} = |x|\) itseisarvon määritelmän nojalla.
Määritelmä 1.2.7
Olkoon \(m\) kokonaisluku ja \(n\) positiivinen kokonaisluku. Potenssifunktio \(x^r\) rationaalisille eksponenteille \(r=\frac{m}{n}\) määritellään asettamalla
kun \(x\) on reaaliluku, \(x \geq 0\) jos \(n\) on parillinen ja \(x \not= 0\) jos \(m < 0\).
Rationaaliluvuille \(r\) potenssifunktio \(x^r\) on ikään kuin kokonaislukupotenssi- ja juurifunktion yhdistelmä. Sen alle voidaankin yhdistää kaikki aiemmat määritelmät, ja potenssifunktio \(x^r\) toteuttaa kaikki eksponenttien laskusäännöt.
Todistetaan viimeinen laskusääntö. Olkoon \(r = \frac{m}{n}\) rationaaliluku, sekä \(x\) ja \(y\) sopivia reaalilukuja. Tällöin
missä juuri \(z = \sqrt[n]{xy}\) on yhtälön \(z^n = xy\) yksikäsitteinen tai positiivinen ratkaisu. Kuitenkin aiemmin esiteltyjen eksponenttien laskusääntöjen nojalla myös \(\sqrt[n]{x}\sqrt[n]{x}\) on tällainen ratkaisu, sillä
Tämän vuoksi \(\sqrt[n]{xy} = \sqrt[n]{x}\sqrt[n]{y}\), ja täten
Lause 1.2.8
Potenssifunktio \(x^r\), missä \(r\) on rationaaliluku, toteuttaa seuraavat ehdot, kun \(x, y \geq 0\).
- Jos \(r > 0\), niin \(x^r < y^r\) aina, kun \(x < y\).
- Jos \(r < 0\), niin \(x^r > y^r\) aina, kun \(x < y\).
- Jos \(r = 0\), niin \(x^r = 1\).
Seuraavassa kuvassa hahmotellaan potenssifunktion \(x^r\) kuvaajan kulkua eri eksponenttien \(r\) arvoilla, kun \(x \geq 0\).
Potenssifunktioiden kanssa täytyy olla hyvin varovainen, jos aikoo supistaa tai laventaa eksponenttia. Havainnollistetaan ongelmaa “todistamalla”, että
Mikä menee pieleen? Tarkastelemalla potenssifunktioita \(x^{\frac{1}{3}} = \sqrt[3]{x}\) ja \(x^{\frac{2}{6}} = \left(\sqrt[6]{x}\right)^2\) määritelmän avulla nähdään, että ensimmäinen on määritelty kaikille reaaliluvuille, mutta jälkimmäinen vain ei-negatiivisille reaaliluvuille. Funktiot \(x^{\frac{1}{3}}\) ja \(x^{\frac{2}{6}}\) eivät siis ole samat! Edeltävässä päättelyssä huutomerkillä merkitty yhtäsuuruus ei siis ole voimassa, sillä lauseketta \((-1)^{\frac{2}{6}} = \left(\sqrt[6]{-1}\right)^2\) ei ole määritelty reaalisena. Eksponentissa supistaessa ja laventaessa on aina tarkistettava, että käsiteltävä lauseke pysyy määriteltynä.