La forma mas fácil que he encontrado es convertir la cadena completamente a minúscualas y a mayúsculas e ir comparando carácter a carácter, de esta forma podemos cubrir todos los casos expuestos con unas pocas líneas. Se han utilizado las funciones [multibyte `mb_`][1] para dar cobertura a cualquier carácter extraño.

Ejemplo:

    <?php
    function first(string $cadena) {
        // salida
        $out = '';
        // obtenemos la longitud
        $len = mb_strlen($cadena, 'UTF-8');
        // cadena en minúsculas
        $min = mb_convert_case($cadena,  MB_CASE_LOWER);
        // cadena en mayúsculas
        $mas = mb_convert_case($cadena,  MB_CASE_UPPER);
        
        //comparamos carácter a carácter
        for($i = 0; $i < $len; $i++) {
            // si son iguales añadimos a la salida y continuamos
            if(mb_substr($min, $i, 1, 'UTF-8')==mb_substr($mas, $i, 1, 'UTF-8')){
                $out .= mb_substr($cadena, $i, 1, 'UTF-8');
                continue;
            }
            // si no son iguales extraemos el carácter en mayúscula
            $out .= mb_substr($mas, $i, 1, 'UTF-8');
            // extraemos el resto de la cadena
            $out .= mb_substr($cadena, $i+1, NULL, 'UTF-8');
            // salimos del bucle
            break;
        }
        return $out;
    }
    
    
    echo first('¿hola mundo?').'<br>';
    echo first('á es una vocal acentuada').'<br>';
    echo first('10 elementos').'<br>';
    echo first('hola mundo').'<br>';
    echo first('ñññññ').'<br>';
    echo first('¡hola mundo!').'<br>';
    ?>

Resultado:

    ¿Hola mundo?
    Á es una vocal acentuada
    10 Elementos
    Hola mundo
    Ñññññ
    ¡Hola mundo!

>**string first(string $cadena)**
  Convierte el primer carácter "convertible" de una cadena a mayúscula, si el primer carácter "convertible" ya esta en mayúscula, no realiza ningún cambio.

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Con una pequeña modificación a la función, podríamos crear una recursividad, para poder conseguir el mismo efecto sobre cada palabra, es decir, convertir a mayúsculas la primera letra de cada palabra.

Ejemplo:

    <?php
    function first(string $cadena, $word=false) {
        // salida
        $out = '';
        
        // recursividad por palabra
        if($word){
            // dividimos por espacios y recorremos
            foreach(mb_split(' ', $cadena) as $value){
                $out .= first($value.' ');
            }
            return rtrim($out);
        }
        
        // obtenemos la longitud
        $len = mb_strlen($cadena, 'UTF-8');
        // cadena en minúsculas
        $min = mb_convert_case($cadena,  MB_CASE_LOWER);
        // cadena en mayúsculas
        $mas = mb_convert_case($cadena,  MB_CASE_UPPER);
        //comparamos carácter a carácter
        for($i = 0; $i < $len; $i++) {
            // si son iguales añadimos a la salida yield continuamos
            if(mb_substr($min, $i, 1, 'UTF-8')==mb_substr($mas, $i, 1, 'UTF-8')){
                $out .= mb_substr($cadena, $i, 1, 'UTF-8');
                continue;
            }
            // si no son iguales estraemos el carácter en mayuscuala
            $out .= mb_substr($mas, $i, 1, 'UTF-8');
            // estraemos el resto de la cadena
            $out .= mb_substr($cadena, $i+1, NULL, 'UTF-8');
            // salimos del bucle
            break;
        }
        return $out;
    }
    
    
    echo first('¿hola? ¿mundo?', true).'<br>';
    echo first('¿á es una vocal acentuada?', true).'<br>';
    echo first('¡10 Elementos!', true).'<br>';
    echo first('hola mundo', true).'<br>';
    echo first('-ñññ -íñ', true).'<br>';
    echo first('¡hola mundo!', true).'<br>';
    echo first('ππ ςς ₫ ææ', true).'<br>';
    ?>

Resultado:

    ¿Hola? ¿Mundo?
    ¿Á Es Una Vocal Acentuada?
    ¡10 Elementos!
    Hola Mundo
    -Ñññ -Íñ
    ¡Hola Mundo!
    Ππ Σς ₫ Ææ

>**string first(string $cadena[, bool $word = false])**
  Convierte el primer carácter "convertible" de una cadena a mayúscula, si el primer carácter "convertible" ya esta en mayúscula, no realiza ningún cambio. Si establecemos el segundo parámetro como TRUE convierte el primer carácter "convertible" de cada palabra en mayúsula. Si el primer carácter "convertible" ya esta en mayúscula, no realiza ningún cambio.


  [1]: http://php.net/manual/es/ref.mbstring.php