Reelle Exponentialfunktion/Einführung/Ohne stetig/Textabschnitt
Die oben auf den rationalen Zahlen definierten Exponentialfunktionen besitzen eine Fortsetzung auf die reellen Zahlen, die entsprechend mit
bezeichnet wird. Diese Fortsetzung ist stetig und es gelten die entsprechenden Eigenschaften. Der Nachweis der Existenz dieser Fortsetzung ist nicht einfach und wird hier nicht durchgeführt. Die Grundidee ist, eine beliebige reelle Zahl als Grenzwert einer Folge von rationalen Zahlen darzustellen und dann
zu definieren, wobei man zuerst zeigen muss, dass diese Folge konvergiert. Ferner muss man zeigen, dass dieser Wert unabhängig von der gewählten gegen konvergierenden Folge ist.
Man kann zeigen, dass die entstehenden reellen Exponentialfunktionen stetig sind und dass sich die in Fakt gezeigten Eigenschaften auf die reellen Zahlen ausdehnen.
Es sei eine positive reelle Zahl. Dann besitzt die Exponentialfunktion
folgende Eigenschaften.
- Es ist für alle .
- Es ist .
- Für und ist .
- Für und ist .
- Für ist streng wachsend.
- Für ist streng fallend.
- Es ist für alle .
- Für ist .
Es sei eine positive reelle Zahl. Dann ist die Exponentialfunktion
Die Homomorphieeigenschaft folgt direkt aus der Funktionalgleichung, die Injektivität folgt aus der der Monotonieeigenschaft in Zusammenhang mit Fakt. Zum Nachweis der Surjektivität sei vorgegeben. Nach Fakt gibt es ganze Zahlen mit
Aufgrund des Zwischenwertsatzes, den wir wegen der in Fakt bewiesenen Stetigkeit der Exponentialfunktionen anwenden können, gibt es ein mit
was die Surjektivität bedeutet.
Eine besonders wichtige Exponentialfunktion ergibt sich, wenn man als Basis die
eulersche Zahl
nimmt, die wir als
eingeführt haben. In Bemerkung haben wir erwähnt, dass diese Zahl mit
übereinstimmt. Für diese Exponentialfunktion gibt es ebenfalls eine weitere Darstellung, die sich an dieser Reihe orientiert, die Darstellung als Potenzreihe. Auch diese Übereinstimmung können wir hier nicht beweisen.
Für die Exponentialfunktion zur Basis gilt die Darstellung
Eine Besonderheit dieser Funktion ist, dass sie mit ihrer Ableitung übereinstimmt. Die Steigung der Tangenten an einem Punkt des Graphen stimmt also stets mit dem Funktionswert überein.