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Caracterizaciones de la función exponencial

En matemáticas , la función exponencial se puede caracterizar de muchas maneras. En este artículo se presentan algunas caracterizaciones comunes, se analiza por qué cada una tiene sentido y se demuestra que todas son equivalentes .

La función exponencial se da de forma natural en muchas ramas de las matemáticas. Walter Rudin la llamó "la función más importante de las matemáticas". [1] Por lo tanto, es útil tener múltiples formas de definirla (o caracterizarla). Cada una de las caracterizaciones que se presentan a continuación puede ser más o menos útil según el contexto. La caracterización del "límite del producto" de la función exponencial fue descubierta por Leonhard Euler . [2]

Caracterizaciones

Las seis definiciones más comunes de la función exponencial para valores reales son las siguientes.

  1. Límite del producto. Definir por límite :
  2. Serie de potencias. Definamos e x como el valor de la serie infinita (aquí n ! denota el factorial de n . Una prueba de que e es irracional utiliza un caso especial de esta fórmula).
  3. Inversa de la integral logarítmica. Se define como el único número y > 0 tal que Es decir, es la inversa de la función logaritmo natural , que se define mediante esta integral.
  4. Ecuación diferencial. Definir como la única solución de la ecuación diferencial con valor inicial : donde denota la derivada de y .
  5. Ecuación funcional. La función exponencial es la única función f con propiedad multiplicativa para todos y . La condición puede sustituirse por junto con cualquiera de las siguientes condiciones de regularidad:
    Para la unicidad se debe imponer alguna condición de regularidad, ya que se pueden construir otras funciones que la satisfagan utilizando como base los números reales sobre los racionales , como describen Hewitt y Stromberg.
  6. Definición elemental por potencias. Definimos la función exponencial con base como la función continua cuyo valor en números enteros está dado por la multiplicación o división repetida de , y cuyo valor en números racionales está dado por . Luego definimos como la función exponencial cuya base es el único número real positivo que satisface:

Dominios más grandes

Una forma de definir la función exponencial sobre los números complejos es primero definirla para el dominio de los números reales usando una de las caracterizaciones anteriores, y luego extenderla como una función analítica , que se caracteriza por sus valores en cualquier conjunto de dominio infinito.

Además, las caracterizaciones (1), (2) y (4) para se aplican directamente para un número complejo. La definición (3) presenta un problema porque hay caminos no equivalentes a lo largo de los cuales uno podría integrar; pero la ecuación de (3) debería ser válida para cualquier camino de ese tipo módulo . En cuanto a la definición (5), la propiedad aditiva junto con la derivada compleja son suficientes para garantizar . Sin embargo, la condición de valor inicial junto con las otras condiciones de regularidad no son suficientes. Por ejemplo, para x e y reales , la función satisface las tres condiciones de regularidad enumeradas en (5) pero no es igual a . Una condición suficiente es que y que es una función conforme en algún punto; o bien los dos valores iniciales y junto con las otras condiciones de regularidad.

También se puede definir la exponencial en otros dominios, como matrices y otras álgebras . Las definiciones (1), (2) y (4) tienen sentido para álgebras de Banach arbitrarias .

Prueba de que cada caracterización tiene sentido

Algunas de estas definiciones requieren justificación para demostrar que están bien definidas . Por ejemplo, cuando el valor de la función se define como el resultado de un proceso limitante (es decir, una secuencia o serie infinita ), se debe demostrar que dicho límite siempre existe.

Caracterización 1

El error de la expresión del límite del producto se describe por: donde el grado del polinomio (en x ) en el término con denominador n k es 2 k .

Caracterización 2

Dado que de la prueba de razón se deduce que converge para todo x .

Caracterización 3

Como el integrando es una función integrable de t , la expresión integral está bien definida. Debe demostrarse que la función de a definida por es una biyección . Como 1/ t es positivo para t positivo , esta función es estrictamente creciente , por lo tanto inyectiva . Si las dos integrales se cumplen, entonces también es sobreyectiva . De hecho, estas integrales se cumplen; se deducen de la prueba integral y de la divergencia de la serie armónica .

Caracterización 6

La definición depende del único número real positivo que satisface: Se puede demostrar que este límite existe para cualquier , y define una función creciente continua con y , por lo que el teorema del valor intermedio garantiza la existencia de dicho valor .

Equivalencia de las caracterizaciones

Los siguientes argumentos demuestran la equivalencia de las caracterizaciones anteriores para la función exponencial.

Caracterización 1 ⇔ caracterización 2

El siguiente argumento está adaptado de Rudin, teorema 3.31, págs. 63–65.

Sea un número real fijo no negativo. Definir

Por el teorema del binomio , (usando x  ≥ 0 para obtener la desigualdad final) de modo que: Se debe usar lim sup porque no se sabe si t n converge .

Para la otra desigualdad, por la expresión anterior para t n , si 2 ≤  mn , tenemos:

Fijemos m y dejemos que n tienda a infinito. Entonces (de nuevo, hay que usar lim inf porque no se sabe si t n converge). Ahora, tomemos la desigualdad anterior, dejemos que m tienda a infinito y juntémosla con la otra desigualdad para obtener: de modo que

Esta equivalencia se puede extender a los números reales negativos observando y tomando el límite cuando n tiende a infinito.

Caracterización 1 ⇔ caracterización 3

Aquí, la función logaritmo natural se define en términos de una integral definida como la anterior. Por la primera parte del teorema fundamental del cálculo ,

Además,

Ahora, sea x cualquier número real fijo, y sea

Ln( y ) = x , lo que implica que y = e x , donde e x está en el sentido de la definición 3. Tenemos

Aquí se utiliza la continuidad de ln( y ), que se desprende de la continuidad de 1/ t :

En este caso, se ha utilizado el resultado ln a n = n ln a . Este resultado se puede establecer para n un número natural por inducción o mediante integración por sustitución. (La extensión a potencias reales debe esperar hasta que ln y exp se hayan establecido como inversas entre sí, de modo que a b se pueda definir para b real como e b ln a .)

Caracterización 1 ⇔ caracterización 4

Sea α la solución del problema de valor inicial . Aplicando la forma más simple del método de Euler con incrementos y puntos de muestra se obtiene la fórmula recursiva:

Esta recursión se resuelve inmediatamente para dar el valor aproximado , y como se sabe que el método de Euler converge a la solución exacta, tenemos:

Caracterización 2 ⇔ caracterización 4

Sea n un entero no negativo. En el sentido de la definición 4 y por inducción, .

Por lo tanto

Usando la serie de Taylor , esto demuestra que la definición 4 implica la definición 2.

En el sentido de la definición 2,

Además, esto demuestra que la definición 2 implica la definición 4.

Caracterización 2 ⇒ caracterización 5

En el sentido de la definición 2, la ecuación se deduce de la manipulación término por término de las series de potencias justificadas por la convergencia uniforme , y la igualdad de coeficientes resultante es simplemente el teorema binomial . Además: [3]

Caracterización 3 ⇔ caracterización 4

La caracterización 3 define primero el logaritmo natural: luego como la función inversa con . Luego por la regla de la cadena :

es decir . Finalmente, , por lo que . Es decir, es la única solución del problema de valor inicial , de caracterización 4. A la inversa, suponga que tiene y , y defina como su función inversa con y . Entonces:

es decir . Por el teorema fundamental del cálculo ,

Caracterización 5 ⇒ caracterización 4

Las condiciones f' (0) = 1 y f ( x + y ) = f ( x ) f ( y ) implican ambas condiciones en la caracterización 4. De hecho, se obtiene la condición inicial f (0) = 1 dividiendo ambos lados de la ecuación por f (0) , y la condición de que f′ ( x ) = f ( x ) se sigue de la condición de que f′ (0) = 1 y la definición de la derivada como sigue:

Caracterización 5 ⇒ caracterización 4

Suponiendo la caracterización 5, la propiedad multiplicativa junto con la condición inicial implican que:

Caracterización 5 ⇔ caracterización 6

Aplicando inductivamente la regla de multiplicación, obtenemos: y por lo tanto para . Entonces la condición significa que , por definición.

Además, cualquiera de las condiciones de regularidad de la definición 5 implica que es continua en absoluto real (ver más abajo). Lo inverso es similar.

Caracterización 5 ⇒ caracterización 6

Sea una función Lebesgue-integrable distinta de cero que satisface la propiedad multiplicativa con . Siguiendo a Hewitt y Stromberg, ejercicio 18.46, probaremos que la integrabilidad Lebesgue implica continuidad. Esto es suficiente para implicar de acuerdo con la caracterización 6, argumentando como se indicó anteriormente.

Primero, algunas propiedades elementales:

  1. Si es distinto de cero en cualquier lugar (por ejemplo en ), entonces es distinto de cero en todas partes. Demostración: implica .
  2. . Prueba: y no es cero.
  3. . Prueba: .
  4. Si es continua en cualquier lugar (por ejemplo en ), entonces es continua en todas partes. Demostración: como por continuidad en .

La segunda y tercera propiedades significan que es suficiente demostrar para x positivo  .

Como es una función integrable de Lebesgue , entonces podemos definir . De ello se deduce que

Como no es cero, se puede elegir algún y tal que y resolverlo en la expresión anterior. Por lo tanto:

La expresión final debe ir a cero ya que y es continua. De ello se deduce que es continua.

Referencias

  1. ^ Walter Rudin (1987). Análisis real y complejo (3.ª ed.). Nueva York: McGraw-Hill . p. 1. ISBN. 978-0-07-054234-1.
  2. ^ Eli Maor . e: La historia de un número . p. 156.
  3. ^ "Herman Yeung - Cálculo - Primer principio encontrar d/Dx(e^x) 基本原理求 d/Dx(e^x)". YouTube .