1 整数乗と、底に置く条件
出発点となる整数乗の定め方を確かめます。
定義 1.1 (整数乗).aを0でない実数とする。正の整数mに対して、aをm個掛け合わせた値をamと書く。さらに
a0=1,a−m=am1と定める。
定理 1.2 (整数乗の指数法則).a、bを0でない実数とし、m、kを整数とする。このとき次が成り立つ。
- amak=am+k
- (am)k=amk
- (ab)m=ambm
証明.u,vを非負整数とする。auavはaをu+v個掛けた値であるから
auav=au+vとなる。ここでは指数が0の場合にa0=1を用いる。この等式と負の整数乗の定義から、非負整数u,vについて
au−v=avauを得る。実際、u≥vならau=au−vavであり、u<vならav=av−uauである。
m,kを任意の整数とする。m+N≥0、k+N≥0を満たす非負整数Nを取ると、上の二式により
amak=aNam+NaNak+N=a2Nam+k+2N=am+kとなる。これで第一の法則が任意の整数指数について成り立つ。
k≥0のとき、(am)kはamをk個掛けた値であり、第一の法則を繰り返すと(am)k=amkとなる。k=−l<0のときは
(am)k=(am)l1=aml1=a−ml=amkである。したがって第二の法則も任意の整数kについて成り立つ。
m≥0のとき、(ab)mの因子を並べ替えると(ab)m=ambmとなる。m=−l<0のときは
(ab)m=(ab)l1=albl1=a−lb−l=ambmである。したがって第三の法則も任意の整数mについて成り立つ。▨
指数を有理数へ広げるとき、底に置くことができる数は限られます。
2 累乗根
有理数乗を定めるために、正の数aと正の整数nに対して、n乗するとaになる正の数を用います。この数をn乗根と呼んでnaと書くことと、n乗根の積・商・累乗の計算は、「絶対値と根号の計算」が定め、証明しています。本節は、それらを引いたうえで、同記事が本記事へ委ねた一つの事実を示します。
同記事は、n乗するとaになる正の実数が二つ以上は無いことを示す一方、そのような実数が存在することについては、証明を本記事へ委ねています。本記事は、この存在を中間値の定理から示します。
定理 2.1 (正の数の累乗根).nを正の整数とする。
- 0<x<yならばxn<ynである。したがって、正の実数x、yについて、xn=ynならばx=yである。
- 正の実数aに対して、bn=aを満たす正の実数bがただ一つ存在する。
証明.nを正の整数とする。§A1.2 定理 2.1により、0≤x<yならばxn<ynである。したがって第一の主張が成り立ち、bn=aを満たす正の実数bは二つ以上存在しない。
a>0を取り、f(t)=tnと置く。関数fは閉区間[0,1+a]で連続であり、
f(0)=0<a<(1+a)n=f(1+a)を満たす。§B1.10 定理 5.1により、f(b)=aを満たすb∈(0,1+a)が存在する。先に示した一意性と合わせると、第二の主張が従う。▨
存在が示されたので、記号n の意味を確かめておきます。次の定義は「絶対値と根号の計算」が§A1.2 定義 5.1として与えたものであり、本記事はこれをそのまま用います。
定義 2.2 (累乗根).a>0とし、nを正の整数とする。定理 2.1の 2 によって定まる、bn=aを満たすただ一つの正の実数bをnaと書き、aの n乗根という。n=2のときはaと書く。
累乗根の積・商・累乗の計算は、§A1.2 公式 5.3として「絶対値と根号の計算」が証明しています。同記事が扱う指数は正の整数なので、本記事は、指数が0と負の整数である場合を含む形へ広げ、有理数乗の計算で用いる三つの等式にまとめます。
定理 2.4 (累乗根の計算).a>0、b>0とし、m、nを正の整数、kを整数とする。このとき次が成り立つ。
- (na)k=nak
- nanb=nab
- (mna)m=na
証明.§A1.2 公式 5.3の積の法則により
nanb=nabとなる。
kが正の整数である場合、同じ定理の累乗の法則により(na)k=nakである。k=0の場合は、1n=1と定理 2.1の一意性によりn1=1であるから、両辺は1になる。k=−l<0の場合、正の整数lに対する結果と整数乗の定義により
(na)k=(na)l1=nal1となる。一方、同じ定理の商の法則から
nak=nal1=naln1=nal1となるので、第一の法則は負の整数kについても成り立つ。
最後に、§A1.2 公式 5.3の入れ子の根についての法則からmna=mnaである。この等式の両辺をm乗すると
(mna)m=(mna)m=naとなり、第三の法則を得る。▨
3 有理数乗の定義
有理数は、整数を正の整数で割った形に書くことができます。この形を用いて有理数乗を定めます。
定義 3.1 (有理数乗).a>0とする。整数mと正の整数nに対して
am/n=(na)mと定める。
一つの有理数を分数で表す表し方は一通りではありません。32は64とも書くことができます。したがって定義 3.1が値を定めるためには、どの表し方を選んでも同じ値になることを示す必要があります。
定理 3.2 (有理数乗の値は分数の表し方によらない).a>0とする。整数m、m′と正の整数n、n′がnm=n′m′を満たすならば
(na)m=(n′a)m′である。
証明.x=(na)m、y=(n′a)m′と置く。累乗根は正であるから、x,y>0である。
定理 1.2により
xnn′=((na)n)mn′=amn′,ynn′=((n′a)n′)m′n=am′nとなる。仮定m/n=m′/n′からmn′=m′nであるため、xnn′=ynn′を得る。nn′乗は正の実数上で単射であるから、定理 2.1によりx=yである。▨
例 3.3 (有理数乗の計算).38=2であるから82/3=(38)2=22=4である。32=64という表し方で計算しても、68=2であるから(68)4=(2)4=4となり、値は変わらない。
416=2であるから16−3/4=(416)−3=2−3=81である。
4 有理数乗の指数法則
整数乗について成り立っていた三つの等式が、指数を有理数にしても成り立ちます。
定理 4.1 (有理数乗の指数法則).a>0、b>0とし、r、sを有理数とする。このときar>0であり、次が成り立つ。
- aras=ar+s
- (ar)s=ars
- (ab)r=arbr
証明. はじめにar>0を示す。rをnm(mは整数、nは正の整数)と表すとar=(na)mであり、na>0であるからar>0である。
1 を示す。定理 3.2により、rとsを共通の分母をもつ分数r=np、s=nq(p、qは整数、nは正の整数)で表して計算してよい。定理 1.2により
aras=(na)p(na)q=(na)p+q=a(p+q)/n=ar+sである。
2 を示す。r=np、s=mq(p、qは整数、m、nは正の整数)と表す。まずmar=ap/(mn)であることを確かめる。ap/(mn)=(mna)pは正であり、定理 1.2と定理 2.4の 3 により
((mna)p)m=((mna)m)p=(na)p=arである。m乗してarになる正の実数はただ一つであるから、mar=ap/(mn)である。したがって
(ar)s=(mar)q=((mna)p)q=(mna)pq=apq/(mn)=arsである。
3 を示す。r=npと表すと、定理 2.4の 2 と定理 1.2により
(ab)r=(nab)p=(nanb)p=(na)p(nb)p=arbrである。▨
指数を大きくしたときに値がどちらへ動くかは、底が1より大きいか小さいかで決まります。この性質は、指数を実数へ広げるときに用います。
定理 4.2 (有理数乗の狭義単調性).a>0とし、r、sをr<sを満たす有理数とする。
- a>1ならばar<asである。
- a=1ならば1r=1s=1である。
- 0<a<1ならばar>asである。
証明. まず、a>1と正の有理数tについてat>1であることを示す。t=np(p、nは正の整数)と表す。na≤1と仮定すると、定理 2.1の 1 によりa=(na)n≤1n=1となり、a>1に反する。よってna>1であり、pが正の整数であるからat=(na)p>1である。
1 を示す。s−rは正の有理数であるからas−r>1である。定理 4.1の 1 によりas=aras−rであり、ar>0であるからas>ar⋅1=arである。
2 を示す。正の整数nについて1n=1であるから、n1=1である。r=npと表すと1r=(n1)p=1p=1であり、sについても同じ計算で1s=1である。
3 を示す。0<a<1のときa1>1である。定理 4.1の 3 によりar(a1)r=(a⋅a1)r=1r=1であるからar=(1/a)r1である。r<sと 1 により(a1)r<(a1)sであり、両辺は正であるから、逆数を取ると不等号の向きが変わってar>asである。▨
例 4.3 (大小の比較).21/2、22/3、23/5の大小を比べる。指数を通分すると21=3015、32=3020、53=3018であるから、指数の大小は21<53<32である。底が2>1であるから、定理 4.2の 1 により21/2<23/5<22/3である。
5 有理数乗の導関数
有理数乗を定義し、その値が指数の分数表示によらないことを示したので、xを変数とする有理数乗の導関数を求めます。整数乗の導関数と合成関数の微分法は「積・商・合成関数の微分」が証明しています。
定理 5.1 (n乗根の導関数).nを正の整数とする。x>0を満たすすべてのxについて、v=nxと置くと
(nx)′=nvn−11が成り立つ。
証明.n=1のときは1x=xであるから主張は成り立つ。以下ではn≥2とする。
x>0を固定し、v=nxと置く。0<∣h∣<xを満たすhをとるとx+h>0であるから、u=nx+hと置くことができる。このときu>0、v>0、un=x+h、vn=xである。因数分解
un−vn=(u−v)(un−1+un−2v+⋯+uvn−2+vn−1)の右辺にある第二の因子をSと書く。u>0かつv>0であるからSの各項は正であり、とくにS≥vn−1>0である。un−vn=hであるから
∣u−v∣=S∣h∣≤vn−1∣h∣となり、h→0のときuはvに近づく。またh=0のときun=vnであるからu=vであり、差の商は
hnx+h−nx=un−vnu−v=S1と書き直される。h→0のときuがvに近づくので、Sのn個の各項はいずれもvn−1に近づき、Sはnvn−1に近づく。nvn−1=0であるから、差の商はnvn−11に近づく。▨
定理 5.2 (有理数乗の導関数).rを有理数とする。x>0を満たすすべてのxについて
(xr)′=rxr−1が成り立つ。
証明.r=nm(mは整数、nは正の整数)と表す。x>0に対してv(x)=nxと置くと、定義 3.1によりxr=v(x)mである。
x>0のときv(x)>0であるから、§B2.10 定理 5.1により、tの関数tmはt=v(x)で微分可能であり、その導関数の値はmv(x)m−1である。vはx>0で微分可能であって値が正であるから、§B2.10 定理 4.1と定理 5.1により
(xr)′=mv(x)m−1⋅nv(x)n−11=nmv(x)m−nである。一方、r−1=nm−nであるから、定義 3.1によりxr−1=v(x)m−nである。よって(xr)′=rxr−1である。▨
例 5.4 (有理数乗の導関数を組み合わせる).(1)x>0とし、y=x3xとする。§B2.10 定理 2.1と定理 5.2により
y′=3x2⋅x1/2+x3⋅21x−1/2=3x5/2+21x5/2=27x5/2である。y=x7/2と書き直してから定理 5.2を用いてもy′=27x5/2となり、二つの計算は一致する。
(2)y=x2+1とする。すべての実数xについてx2+1>0であるから、外側をt>0におけるt1/2、内側をx2+1とみて§B2.10 定理 4.1を用いることができて
y′=21(x2+1)−1/2⋅2x=x2+1xである。