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+⋯+a0 僅使用恆等函式 x 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 q(x)p(x)(q≡0)。在 q(x)=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 f 是代數函式(algebraic function),若它滿足 f 和 x 的多項式方程且係數為多項式,即存在多項式 p0,…,pn(不全為零)使得
pn(x)f(x)n+pn−1(x)f(x)n−1+⋯+p0(x)=0.(1)
每個多項式和每個有理函式都是代數函式(在 (1) 中取 n=1)。更本質地,諸如 x、3x−1 以及巢狀根式 1+x 等 n 次根式都是代數函式——它們滿足形如 fn=g(x)(g 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 與自然對數 lnx 是超越初等函式,分別在指數函數和對數函數中展開。一般的指數 bx=exp(xlnb) 和對數 logbx=lnblnx 也包含在內。
三角函數與反三角函數
sin、cos、tan、cot、sec、csc 及其反函式 arcsin、arccos、arctan、arccot、arcsec、arccsc 都是超越初等函式,分別在三角函數和反三角函數中介紹。
雙曲函數與反雙曲函數
sinh、cosh、tanh、coth、sech、csch 及其反函式 arsinh、arcosh、artanh、… 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:
- 算術運算: 給定初等函式 f 和 g,函式 f+g、f−g、f⋅g 和 f/g(g=0)都是初等函式。
- 函式複合(composition): 若 f 和 g 是初等函式,且 g 的值域包含在 f 的定義域內,則 x↦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 x↦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、ln、sin、cos、… 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 |
|---|
| 3x4−2x+7 | 多項式 |
| x3+xx2−1 | 有理函式 |
| x2+1 | 代數函式(滿足 f2=x2+1) |
| ex2 | 超越——多項式的指數 |
| ln(sinx) | 超越——對數與正弦的複合 |
| arctan(ex) | 超越——反三角函式與指數的複合 |
| cosh(x) | 超越——代數函式的雙曲函數 |
| xx=exlnx | 超越——指數與對數的複合 |
| sin2x+cos2x | 初等函式(等於常數 1,但形式上仍是初等函式) |
注意 xx 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) 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。
代數函式在 R(x) 上滿足多項式方程 (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 ex、對數 lnx 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) 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 |
|---|
| xn | nxn−1 |
| ex | ex |
| lnx | 1/x |
| sinx | cosx |
| cosx | −sinx |
| arctanx | 1/(1+x2) |
| sinhx | coshx |
| arsinhx | 1/x2+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)=π2∫0xe−t2dt——高斯函式的積分。其被積函式 e−t2 是初等函式,但不存在初等的反導函數。
- Gamma 函式 Γ(x)=∫0∞tx−1e−tdt——階乘 n!=Γ(n+1) 的連續延伸。
- 指數積分(exponential integral) Ei(x)=∫−∞xtetdt 及相關的對數積分。
- Bessel 函式 Jn(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。
- 代數函式在 f 和 x 上滿足多項式方程 (1);包括多項式、有理函式和 n 次根式。
- 超越初等函式——ex、lnx、sinx、cosx 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)、Γ(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。