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2023-04-09 09:04:08 来源:数学边界

我们都知道以下两个结论:


(资料图)

①0的任何正数次幂都等于0:0^x=0,x>0

②任何非0实数的0次幂都等于1:x^0=1,x≠0

今天我们来讨论一个争论已久的问题,0的0次幂到底等于多少?

0^0=?

从表面上来看,如果0^0=0,就会与x^0=1矛盾;如果0^0=1,就会与0^x=0矛盾。看上去无论将0^0定义成0还是1,都不是很恰当。

于是有人提出0^0就和分母为0一样,是无意义的。理由如下:

0^0=0^(1-1)=0^1/0^1=0/0

此时会出现分母为0,所以0^0无意义。

看上去似乎有些道理,但这样的解释显然不能让人信服,我们完全可以类似地来理解0^1。

0^1=0^(2-1)=0^2/0^1=0/0

按照之前的解释,同样会出现分母为0,那么0^1也是无意义的,这与我们公认的0^1=0显然是矛盾的。

我们必须转换思路。我们很容易想到利用极限来理解这个问题,0^0可以看作函数f(x)=x^x,当x趋于0+的极限值。我们先用计算器来算一下:

0.1^0.1=0.794……

0.01^0.01=0.954……

0.001^0.001=0.993……

0.0001^0.0001=0.999……

…………

可以明显感觉到,当x→0+时,x^x→1。其实这个结论是可以严格证明的。

求证:lim(x^x)=1,x→0+

证明:

lim[ln(x^x)]=lim[x×ln(x)]=lim[ln(x)/(1/x)],x→0+

当x→0+时,ln(x)→-∞,1/x→+∞

此极限为"-∞/+∞"型的未定式,根据洛必达法则

lim[ln(x^x)]=lim[ln(x)/(1/x)]=lim[ln′(x)/(1/x)′],x→0+

=lim[(1/x)/(-1/x^2)]=lim(-x),x→0+

=-0=0=ln1,x→0+

lim[ln(x^x)]=ln1=0,x→0+

lim(x^x)=1,x→0+

证毕!

到这里,问题似乎得到了圆满的解决,0^0=1,而且计算器也是这样显示的。

我们再深入来思考一下这个问题,如果0^0=1,那么对于0^x:

①当x>0时,0^x=0;

②当x=0时,0^x=1;

③当x<0时,-x>0,0^x=0^[-(-x)]=1/0^(-x)=1/0=∞

这一切看上去非常丝滑,就连欧拉也认可其合理性,欧拉称这个变化为一次巨大的跳跃。

但另一位大神柯西却不认同这种观点,柯西认为如果你能够构造极限lim(x^x)=1,x→0+,来说明0^0=1。那么,我同样可以构造另一个极限:lim[e^(-1/x^2)]^x,x→0+

首先,当x→0+时,

e^(-1/x^2)→e^(-1/0)→e^(-∞)→1/e^(+∞)→1/(+∞)→0

这个极限仍然是“0^0”型,接下来我们来求一下这个极限值:

求极限:lim[e^(-1/x^2)]^x,x→0+

解:

ln{[e^(-1/x^2)]^x}=x×ln[e^(-1/x^2)]=x×(-1/x^2)×ln(e)=(-1/x)×1=-1/x

lim<ln{[e^(-1/x^2)]^x}>=lim(-1/x)=-∞,x→0+

lim[ln(0+)]=-∞

lim<ln{[e^(-1/x^2)]^x}>=lim[ln(0+)]=-∞

lim[e^(-1/x^2)]^x=0,x→0+

我们求得了,对于以上“0^0”型求极限,极限值为0。也就是说,0^0=0。

类似地,我们还可以再构造极限:lim[e^(-1/x^2)]^(-x),x→0+。显然,这个极限仍然是“0^0”型。

求极限:lim[e^(-1/x^2)]^(-x),x→0+

解:前面我们已经证明了

lim[e^(-1/x^2)]^x=0,x→0+

lim[e^(-1/x^2)]^(-x)=lim{1/[e^(-1/x^2)]^x}=1/0=∞,x→0+

lim[e^(-1/x^2)]^(-x)=∞,x→0+

我们又求得了,对于以上“0^0”型求极限,极限为∞。也就是说,0^0=∞。

同样是“0^0”型求极限,我们得出了3个不同的极限值,分别是1,0和∞。这时,人们才意识到“0^0”型是一个未定式,其极限值具体是多少要分情况来看。

所谓未定式是指,极限值不确定的形式。未定式的极限值有可能存在,也有可能不存在;如果未定式的极限值存在,也有可能不唯一。

未定式一共有7种类型,分别为:

∞-∞型、0×∞型、∞/∞型、0/0型、1^∞型、∞^0型以及0^0型。

到这里,我们终于可以回答这个问题了,0^0到底等于几,要分具体情况来看。不同的情况下,对应不同的取值。0^0有可能等于1,也有可能等于0或其他值,还有可能是不存在的。

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