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' 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" 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.


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