初等函數(Elementary Functions)

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在前面的各章節中,你已逐一認識了古典分析學的主要函式:多項式、指數函數(exponential function)、對數函數(logarithmic function)、三角函數(trigonometric functions)及其反函式。現在各個片段都已齊備,是時候退一步問:這些函式究竟有什麼共同點?答案由**初等函數(elementary function)**的概念來捕捉——即能夠用上述成分的有限組合以*封閉形式(closed form)*表示的函式。

基本構成要素

初等函數建立在五大函式族之上。

多項式與有理函式

多項式(polynomial) p(x)=anxn++a0p(x) = a_n x^n + \cdots + a_0 僅使用恆等函式 xx 與實數常數的加法和乘法。多項式是最簡單的初等函式;詳見多項式函數

**有理函式(rational function)**是兩個多項式的比值 p(x)q(x)\tfrac{p(x)}{q(x)}q≢0q \not\equiv 0)。在 q(x)0q(x) \neq 0 的地方它完全有定義,並繼承了多項式的所有代數結構。

代數函式

函式 ff代數函式(algebraic function),若它滿足 ffxx 的多項式方程且係數為多項式,即存在多項式 p0,,pnp_0, \ldots, p_n(不全為零)使得

pn(x)f(x)n+pn1(x)f(x)n1++p0(x)=0.(1)p_n(x)f(x)^n + p_{n-1}(x)\,f(x)^{n-1} + \cdots + p_0(x) = 0. \tag{1}

每個多項式和每個有理函式都是代數函式(在 (1)(1) 中取 n=1n = 1)。更本質地,諸如 x\sqrt{x}x13\sqrt[3]{x-1} 以及巢狀根式 1+x\sqrt{1 + \sqrt{x}}nn 次根式都是代數函式——它們滿足形如 fn=g(x)f^n = g(x)gg 為有理函式)的方程。

不是代數函式的函式稱為超越函式(transcendental function)

指數函數與對數函數

指數函數 exp(x)=ex\exp(x) = e^x自然對數 lnx\ln x 是超越初等函式,分別在指數函數對數函數中展開。一般的指數 bx=exp(xlnb)b^x = \exp(x \ln b) 和對數 logbx=lnxlnb\log_b x = \tfrac{\ln x}{\ln b} 也包含在內。

三角函數與反三角函數

sin\sincos\costan\tancot\cotsec\seccsc\csc 及其反函式 arcsin\arcsinarccos\arccosarctan\arctanarccot\text{arccot}arcsec\text{arcsec}arccsc\text{arccsc} 都是超越初等函式,分別在三角函數反三角函數中介紹。

雙曲函數與反雙曲函數

sinh\sinhcosh\coshtanh\tanhcoth\text{coth}sech\text{sech}csch\text{csch} 及其反函式 arsinh\text{arsinh}arcosh\text{arcosh}artanh\text{artanh}\ldots 都是初等函式——如雙曲函數及其反函數所示,它們直接由指數函數和對數函數定義。

組合構成要素:定義

上述五大族是「原子」。從它們出發,用兩種運算建構所有初等函式:

  1. 算術運算: 給定初等函式 ffgg,函式 f+gf + gfgf - gfgf \cdot gf/gf/gg0g \neq 0)都是初等函式。
  2. 函式複合(composition):ffgg 是初等函式,且 gg 的值域包含在 ff 的定義域內,則 xf(g(x))x \mapsto f(g(x)) 是初等函式。

定義。 **實初等函式(real elementary function)**是指從實數常數和恆等函式 xxx \mapsto x 出發,對上述五大族進行有限次算術運算和函式複合所得到的任意函式。

實際上,初等函式就是可以用標準函式符號 exp\expln\lnsin\sincos\cos\ldots 和代數運算寫成公式的函式,允許任意有限深度的巢狀。

範例集錦

以下函式都是初等函式:

函式類型
3x42x+73x^4 - 2x + 7多項式
x21x3+x\dfrac{x^2 - 1}{x^3 + x}有理函式
x2+1\sqrt{x^2 + 1}代數函式(滿足 f2=x2+1f^2 = x^2+1
ex2e^{x^2}超越——多項式的指數
ln(sinx)\ln(\sin x)超越——對數與正弦的複合
arctan(ex)\arctan(e^x)超越——反三角函式與指數的複合
cosh(x)\cosh(\sqrt{x})超越——代數函式的雙曲函數
xx=exlnxx^x = e^{x \ln x}超越——指數與對數的複合
sin2x+cos2x\sin^2 x + \cos^2 x初等函式(等於常數 11,但形式上仍是初等函式)

注意 xxx^x 是初等函式,儘管它既不是冪函式(固定指數)也不是指數函式(固定底數):公式 xx=exp(xlnx)x^x = \exp(x \ln x) 將它明確地歸入初等函式的類別。

代數函式與超越函式

上述表格使兩大廣泛類別變得具體。

代數函式R(x)\mathbb{R}(x) 上滿足多項式方程 (1)(1)。在代數封閉域上,代數函式恰好是係數為有理函式的多項式的根。任何代數函式的複合或算術組合仍是代數函式。

超越函式是初等但非代數的函式。指數 exe^x、對數 lnx\ln x 以及所有三角函數和雙曲函數都是超越的:對它們而言,形如 (1)(1) 的多項式關係都不成立。(嚴格證明超越性需要 Liouville 定理或更高深的代數工具,超出目前的先備知識範圍。)

初等函式的微分

每個初等函式在其有定義之處都是可微的,且其導函數仍是初等函式。這由鏈式法則(chain rule)、乘積法則(product rule)、商法則(quotient rule)以及各構成要素已知的導函數得出:

函式導函數
xnx^nnxn1n x^{n-1}
exe^xexe^x
lnx\ln x1/x1/x
sinx\sin xcosx\cos x
cosx\cos xsinx-\sin x
arctanx\arctan x1/(1+x2)1/(1+x^2)
sinhx\sinh xcoshx\cosh x
arsinhx\text{arsinh}\, x1/x2+11/\sqrt{x^2+1}

將這些與鏈式法則和乘積法則結合,可以用有限次、機械性的步驟對任何初等函式求導。導函數始終是初等函式。

非初等函式

並非分析學中遇到的所有函式都是初等函式。一些重要的函式作為積分或微分方程的解出現,且可以證明它們沒有初等封閉形式:

  • 誤差函式(error function) erf(x)=2π0xet2dt\operatorname{erf}(x) = \dfrac{2}{\sqrt{\pi}}\displaystyle\int_0^x e^{-t^2}\,dt——高斯函式的積分。其被積函式 et2e^{-t^2} 是初等函式,但不存在初等的反導函數。
  • Gamma 函式 Γ(x)=0tx1etdt\Gamma(x) = \displaystyle\int_0^{\infty} t^{x-1}e^{-t}\,dt——階乘 n!=Γ(n+1)n! = \Gamma(n+1) 的連續延伸。
  • 指數積分(exponential integral) Ei(x)=xettdt\operatorname{Ei}(x) = \displaystyle\int_{-\infty}^x \dfrac{e^t}{t}\,dt 及相關的對數積分。
  • Bessel 函式 Jn(x)J_n(x),Bessel 微分方程的解,在物理學中凡有柱對稱性的問題中就會出現。

判定積分何時有初等反導函數的精確判準由Liouville 定理(微分代數)給出,該定理陳述了關於被積函式代數結構的條件。這屬於進階層級的內容。

摘要

  • 初等函式由實數常數、恆等函式以及五大族——多項式、代數函式、指數函數、對數函數、三角函數與反三角函數、雙曲函數與反雙曲函數——透過有限次算術運算和函式複合建構而成。
  • 代數函式ffxx 上滿足多項式方程 (1)(1);包括多項式、有理函式和 nn 次根式。
  • 超越初等函式——exe^xlnx\ln xsinx\sin xcosx\cos x 及其親屬——是初等函式,但不滿足任何此類多項式方程。
  • 每個初等函式在有定義之處都是可微的,且其導函數仍是初等函式。
  • 重要的函式如 erf(x)\operatorname{erf}(x)Γ(x)\Gamma(x) 和 Bessel 函式不是初等函式:由 Liouville 定理保證,它們無法表示為由五大族建構的有限公式。