Піднесення до степеня
Підне́сення до сте́пеня — бінарна операція, записується як для основи степеня та показника степеня в результаті застосування отримується степінь.[1]
Результати обчислення | |
---|---|
Додавання (+) | |
1-й доданок + 2-й доданок = | сума |
Віднімання (−) | |
зменшуване − від'ємник = | різниця |
Множення (×) | |
1-й множник × 2-й множник = | добуток |
Ділення (÷) | |
ділене ÷ дільник = | частка |
Ділення з остачею (mod) | |
ділене mod дільник = | остача |
Піднесення до степеня | |
основа степеняпоказник степеня = | степінь |
Обчислення кореня (√) | |
показник кореня √підкореневий вираз = | корінь |
Логарифм (log) | |
logоснова(число) = | логарифм |
Якщо n — натуральне число, піднесення до степеня відповідає n-кратному множенню:
Подібно до того, як множення на ціле число відповідає багатократному додаванню:
- .
Другий степінь називають інакше квадратом, третій степінь — кубом. Першим степенем числа називають саме число, наприклад 71 = 7*.
Історія
Поняття степеня використовувалося давньогрецьким математиком Евклідом для дослідження квадрату прямої.[2] Архімед відкрив і довів закон для степенів — 10a 10b = 10a+b, необхідний аби оперувати степенями числа 10[3]. У 9-му столітті, перський математик Аль-Хорезмі використовував терміни мал для квадрата і кахб для куба, які згодом ісламські математики представляли у вигляді математичної нотації як m і k, відповідно, як видно із роботи Аль Каласаді до 15-го століття,.[4]
У кінці 16-го століття, Йост Бургі для степенів використовував римські літери[5].
На початку 17-го століття, перша форма сучасного позначення степеня була запропонована Рене Декартом у своїй праці під назвою La Géométrie; де, у книзі I і було введено відповідні позначення.[6]
Деякі математики (наприклад, Ісаак Ньютон) використовували експоненти лише для степенів, що більші за двійку, для позначення квадрату вони віддавали перевагу використовувати множення із повторенням. Таким чином вони б записали поліноми, наприклад, як ax + bxx + cx3 + d.
Ніколас Шуке використовував форму показникового запису в 15-му столітті, яку згодом використали Геріх Грамматеус і Михаель Штифель у 16-му столітті. Слово «експонента» виникло в 1544 завдяки Михаелю Штифелю.[7] В 16-му столітті Роберт Рекорд використовував термін квадрат, куб, дзензизензик (четвертий степінь), сурсолід (п'ятий), дзензікуб (шостий), другий сурсолід (сьомий), і дзензизензензик (восьмий).[8] Також для назви четвертого степеня використовували слово біквадрат.
Інший синонім, що існував в історії, інволюція,[9] зараз є рідким і його не варто плутати із більш загальним значенням цього слова.
У 1748 Леонард Ейлер написав «розглянемо експоненти або степені, в яких сама експонента (показник) є змінною. Очевидно, що величини такого типу не є алгебраїчними функціями, оскільки в них показних мав би бути константою.»[10] Із цим введенням у трансцендентні функції, Ейлер заклав початок сучасному введенню в натуральний логарифм, що є оберненою функцією для y = ex.
Для цілих показників
Нульовий показник
При піднесені до степеня 0 будь-якого ненульового числа результатом буде 1[11]:
Однією з інтерпретацій для пояснення такого випадку є уявлення про пустий добуток.
Більш спірним випадком є випадок 00 — нуль в степені нуль.
Від'ємні показники
Наступне рівняння є справедливим для будь-якого довільного цілого числа n і не нульового x:
Піднесення числа 0 до від'ємного показника степеня вважають або не визначеним, або визначеним як нескінченність ∞.
Приведена вище рівність може бути доведена із визначення, якщо продовжити значення показника у негативну область цілих чисел.
Для не нульових значень x і додатних n, рекурентна рівність записана зверху може бути представлена як
Із визначення, що це рівняння є правдивим для всіх цілих чисел n і ненульових x, випливає що
і в більш загальній формі для будь-якого ненульового x і будь-яких невід'ємних цілих n,
Видно, що це є вірним для всіх цілих чисел n.
Комбінаторна інтерпретація
Для невід'ємних цілих n і m, степінь nm є числом функцій із множини з m елементів у множину з n елементів (див. кардинальне експонування). Така функція може бути представлена як m-кортежів із множини n-елементів (або слово із m-літер, що належить алфавіту, в якому є n-літер).
05 = │ { } │ = 0 Не існує 5-елементного кортежу, який можна було б побудувати із пустої множини. 14 = │ { (1,1,1,1) } │ = 1 Існує один 4-елементні кортежі із множини з одного елементу. 23 = │ { (1,1,1), (1,1,2), (1,2,1), (1,2,2), (2,1,1), (2,1,2), (2,2,1), (2,2,2) } │ = 8 Існує вісім 3-елементні кортежі із множини з двох елементів. 32 = │ { (1,1), (1,2), (1,3), (2,1), (2,2), (2,3), (3,1), (3,2), (3,3) } │ = 9 Існує дев'ять 2-елементні кортежі із множини з трьох елементів. 41 = │ { (1), (2), (3), (4) } │ = 4 Існує чотири 1-елементні кортежі із множини з чотирьох елементів. 50 = │ { () } │ = 1 Існує лише один 0-кортеж.
Тотожності і властивості
Наступні тотожності є вірними для всіх цілих показників, за умови що основа не є нулем:
Операція піднесення до степеня не є комутативною. Як протилежність — операції додавання і множення комутативні. Наприклад, 2 + 3 = 3 + 2 = 5 і 2 ⋅ 3 = 3 ⋅ 2 = 6, але 23 = 8, оскільки 32 = 9.
Операція піднесення до степеня також не є асоціативною. Приводячи приклад із додаванням і множенням, які є асоціативними, маємо: (2 + 3) + 4 = 2 + (3 + 4) = 9 і (2 ⋅ 3) ⋅ 4 = 2 ⋅ (3 ⋅ 4) = 24, але 23 на 4 дорівнює 84 або , в той час як 2 на 34 дорівнює 281 або 4096417851639229258349412352. Без дужок, які задають порядок дій, загальноприйнятим є порядок зверху-вниз (або право-асоціативний), а не знизу-вгору 2[12] (or left-associative):
В той час як Google і WolframAlpha в своїх додатках слідують вищезгаданому правилу, варто відмітити, що деякі комп'ютерні програми такі як Microsoft Excel або Matlab виконують операції зліва (зверху-вниз), тобто a^b^c
розраховується як (a^b)^c
.
Степені десятки
У десятковій системі числення, цілі степені числа 10 записуються у вигляді цифри 1 за якою слідує ряд нулів, що визначаються знаком і величиною показника. Наприклад, = 103 1000 і = 10−4 0.0001.
Степені із основою 10 використовується як експоненціальний запис в науці, для позначення дуже великих або малих чисел. Наприклад, 792458 м/с ( 299швидкість світла у вакуумі, в метрах на секунду) може бути записана наступним чином: 92458×108 м/с а потім 2.997апроксимовано до ×108 м/с. 2.998
Префікси одиниць вимірювання теж основані на степенях числа 10 і використовуються для описання малих чи великих чисел. Наприклад, префікс кіло означає = 103 1000, тому кілометр становить метрів. 1000
Степені двійки
Перші від'ємні степені двійки вживаються дуже часто, і мають особливі назви, такі як: половина і чверть.
Степені числа 2 з'являються у теорії множин, оскільки множина із n елементів має булеан, множина з усіх її підмножин, який має 2n елементів.
Цілі степені двійки важливі у комп'ютерній науці. Додатні цілі степені 2n задають максимальну можливу кількість значень для n-бітного цілого двійкового числа; наприклад, байт може приймати 28 = 256 різних значень. Двійкова система числення дозволяє задавати будь-яке число як суму степенів 2, і записує їх як послідовність цифр 0 і 1, розділених двійковою точкою, де 1 означає ті степені двійки, які мають з'являтися в сумі; показник степеня визначається номером позиції цієї 1: невід'ємні показники впорядковані 1-ями зліва від точки (починаючи з 0), а від'ємні показники визначаються порядком в правій частині після коми.
Степені одиниці
Усі степені одиниці також дорівнюють одиниці: 1n = 1.
Степені нуля
Якщо показник степеня є додатним числом, степінь нуля буде дорівнювати нулю: 0n = 0, де n > 0.
Якщо показник степеня є від'ємним, степінь нуля (0n, де n < 0) є невизначеною, оскільки було виконано ділення на нуль.
Якщо показник дорівнює нулю, в деяких випадках визначають це як 00 = 1, в той час як в інших варіантах залишають значення невизначеним.
Степені мінус одиниці
Якщо n є парним цілим, тоді (−1)n = 1.
Якщо n є непарним цілим числом, тоді (−1)n = −1.
Завдяки цій особливості, степені числа −1 зручно використовувати для вираження змінних послідовностей.
Великі степені
Границя числової послідовності степенів числа більшого за одиницю розходяться; іншими словами, послідовність зростає без обмеження:
- bn → ∞ при n → ∞ якщо b > 1
Це читається як «b у степені n прямує до +∞ при n, що прямує до нескінченності коли b є більшою за одиницю».
Степені чисел із абсолютним значенням, що менше одиниці прямують до нуля:
- bn → 0 при n → ∞ якщо |b| < 1
Будь-який степінь одиниці, як уже зазначалося завжди дорівнює одиниці:
- bn = 1 для всіх n якщо b = 1
Степені числа –1 чергують значення 1 і –1 при тому n змінюється будучи то парним то непарним числом, і таким чином не прямує ні до якої границі при збільшенні n.
Якщо b < –1, bn, чергується між все більшими додатними і від'ємними числами при тому як n чергується між парними і непарними значеннями, і таким чином не прямує до жодної границі при зростанні n.
Якщо значення числа, що підноситься до степеня змінюється при тому як прямує до 1 при показникові степеня що прямує до нескінченності, тоді існування границі і її значення не обов'язково підпадає у один випадків, що описано вище. Одним із важливих часткових випадків є
- (1 + 1/n)n → e при n → ∞
Степеневі функції
Функції дійсних значень вигляду із називають степеневими функціями. Коли є цілим числом і , існує дві основні різновидності: для парних і непарних . В загальному випадку для , якщо є парним числом із збільшенням буде прямувати до нескінченності із знаком плюс, а також у напрямку нескінченності із знаком плюс при зменшенні . Всі графіки із родини парних степеневих функцій мають загальну форму для , маючи більш плоску форму в середині із збільшенням .[13] Функції із таким видом симетрії () називаються парними функціями.
Коли є парним, має асимптотичну поведінку яка змінюється від додатних до від'ємних . Для , також прямуватиме до нескінченності із знаком плюс при збільшенні , але при зменшенні прямуватиме до нескінченності із знаком мінус. Усі графіки для сімейства парних степеневих функцій мають загальний вигляд для , маючи більш плоску гладку форму в середині із збільшенням і втрачають усю гладкість перетворюючись в пряму лінію для . Функції із таким видом симетрії () називаються непарними функціями.
Для , асимптотична поведінка із протилежними знаками зберігається у усіх випадках.[13]
Список степенів цілих чисел
n | n2 | n3 | n4 | n5 | n6 | n7 | n8 | n9 | n10 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 256 | 512 | 1,024 |
3 | 9 | 27 | 81 | 243 | 729 | 2,187 | 6,561 | 19,683 | 59,049 |
4 | 16 | 64 | 256 | 1,024 | 4,096 | 16,384 | 65,536 | 262,144 | 1,048,576 |
5 | 25 | 125 | 625 | 3,125 | 15,625 | 78,125 | 390,625 | 1,953,125 | 9,765,625 |
6 | 36 | 216 | 1,296 | 7,776 | 46,656 | 279,936 | 1,679,616 | 10,077,696 | 60,466,176 |
7 | 49 | 343 | 2,401 | 16,807 | 117,649 | 823,543 | 5,764,801 | 40,353,607 | 282,475,249 |
8 | 64 | 512 | 4,096 | 32,768 | 262,144 | 2,097,152 | 16,777,216 | 134,217,728 | 1,073,741,824 |
9 | 81 | 729 | 6,561 | 59,049 | 531,441 | 4,782,969 | 43,046,721 | 387,420,489 | 3,486,784,401 |
10 | 100 | 1,000 | 10,000 | 100,000 | 1,000,000 | 10,000,000 | 100,000,000 | 1,000,000,000 | 10,000,000,000 |
Раціональні показники
Коренем n-го степеня числа b є число x таке що xn = b.
Якщо b є додатним дійсним числом і n є додатним цілим, тоді існує лише одне додатне дійсне значення, що є розв'язком рівняння xn = b. Цей розв'язок називається головним коренем n-го степеня для b. Він позначається виразом n√b, де √ символ корінь; аналогічним чином, головний корінь можна записати як b1/n. Наприклад: 41/2 = 2, 81/3 = 2.
Факт, що є розв'язком для , випливає із наступного запису:
Якщо n є парним, тоді xn = b при умові, що b додатне число, має два дійсні розв'язки, якими є додатний і від'ємний корені n-го степеня, тобто, b1/n > 0 і -(b1/n) < 0. Якщо b від'ємне, то рівняння не має розв'язку у вигляді дійсного числа при парних n.
Якщо n непарне, тоді xn = b має лише один дійсний розв'язок. Розв'язок буде b1/n додатним, якщо b є додатним, і від'ємним, якщо b від'ємне.
Піднесення додатного дійсного числа b до раціонального степеня u/v, де u є цілим і v є додатним цілим, і при розгляданні лише головних коренів, є наступним
Піднесення від'ємного дійсного числа b до раціонального степеня u/v, де u/v є правильним дробом, дає результат, що є додатним дійсним числом, якщо u є парним, і таким чином v є непарним, оскільки тоді bu є додатним; і дає від'ємний дійсний результат, якщо u і v обидва є непарними, оскільки тоді bu є від'ємним. Випадок коли u є непарним, а v є парним, не можна визначити в рамках дійсних чисел, оскільки не існує такого дійсного числа x, щоб x2k = −1; при задаванні значення bu/v в такому випадку необхідно використовувати уявну одиницю i.
Дійсні показники степеня
Тотожності і властивості що вказані вище для цілих степенів є вірними і для додатних дійсних чисел із не цілими показниками. Однак рівність
не може послідовно поширюватися на випадки коли b є від'ємним дійсним числом. Невірність цієї рівності є основою проблеми, що озвучується щодо степенів комплексних чисел.
Границі раціональних степенів
Дійсне число є границею послідовності раціональних наближень. Якщо
де — раціональні числа, то
- .
Показникова функція
Одна із важливих математичних констант e, що також називається числом Ейлера, приблизно дорівнює 2.718 і є основою натурального логарифму. Хоча піднесення у степінь числа e, по суті, можна трактувати так само як піднесення у степінь будь-якого іншого дійсного числа, такі степені, як виявилося, мають свої корисні і витончені властивості. Серед усього іншого, ці властивості дозволяють узагальнити степені e природним способом до інших типів степенів, таких як степені комплексних чисел або навіть матриць.
Як правило, нотація ex зазвичай позначає узагальнене поняття експонування і називається показниковою функцією, exp(x), яку можна визначити багатьма способами, наприклад таким:
Крім інших властивостей, exp задовольняє степеневе рівняння
Показникова функція є визначеною для всіх цілих, дрібних, дійсних, і комплексних значень змінної x. Експонента матриці добре визначена для квадратних матриць (у випадку яких експоненційне рівняння виконується лише коли матриці x і y є комутативними), і є корисною для вирішення систем лінійних диференційних рівнянь.
Дії зі степенями
При спрощенні виразів зі степенями можна використовувати декілька базових правил або законів, що називаються правилами дій зі степенями[14]:
1. При перемножуванні двох або більше різних степенів з однаковими основами показники степеня додаються
2. При діленні одного степеня на інший з тією ж основою показник степеня знаменника віднімається від показника степеня чисельника.
3. При піднесені числа в якомусь степеню до іншого степеню показники перемножуються.
4. При піднесенні будь-якого числа (окрім нуля) в степінь з показником 0 одержуємо 1, так
5. При піднесенні числа до степеню з від'ємним цілим показником одержуємо величину, зворотну цьому числу з додатним степенем. Таким чином . Аналогічно
6. При піднесенні числа до дробового степеню, знаменник цього дробу є степінь кореня з числа, а чисельник є показником степеня числа. Так,
Функції
В комбінаториці
В комбінаториці, кількість можливих розміщень з повтореннями із n елементів по m дорівнює nm:[15]
Наприклад, із цифр 1, 2, 3, 4 можна скласти тризначних числа.
Посилання
Джерела
- К. І. Швецов, Г. П. Бевз (1967). Довідник з елементарної математики. К. «Наукова думка»..
- Бёрд Дж. Инженерная математика: Карманный справочник/ Пер. с. англ. — М.: Издательский дом «Додэка- XXI»,2008. — 544 с.
- Судоплатов С. В., Овчинникова Е. В. (2002). Элементы дискретной математики. НГТУ. ISBN 5-7782-0332-2.
Примітки
- К. І. Швецов, Г. П. Бевз (1967). Довідник з елементарної математики. К. «Наукова думка».
- Джон Дж. О'Коннор та Едмунд Ф. Робертсон. Etymology of some common mathematical terms в архіві MacTutor (англ.)
- For further analysis see The Sand Reckoner.
- Джон Дж. О'Коннор та Едмунд Ф. Робертсон. Abu'l Hasan ibn Ali al Qalasadi в архіві MacTutor (англ.)
- Cajori, Florian (2007). A History of Mathematical Notations; Vol I. Cosimo Classics. Pg 344 ISBN 1602066841
- René Descartes, Discourse de la Méthode … (Leiden, (Netherlands): Jan Maire, 1637), appended book: La Géométrie, book one, page 299. From page 299: " … Et aa, ou a2, pour multiplier a par soy mesme; Et a3, pour le multiplier encore une fois par a, & ainsi a l'infini ; … " (… and aa, or a2, in order to multiply a by itself; and a3, in order to multiply it once more by a, and thus to infinity ; …)
- See:
- Earliest Known Uses of Some of the Words of Mathematics
- Michael Stifel, Arithmetica integra (Nuremberg («Norimberga»), (Німеччина): Johannes Petreius, 1544), Liber III (Книга 3), Caput III (Глава 3): De Algorithmo numerorum Cossicorum. (Про алгоритми алгебри.), page 236. Штифель намагався отримати зручне представлення елементів геометричної прогресії. Заради цього він використав громіздку систему позначень. На 236-й сторінці він увів систему позначень для перших восьми елементів геометричної прогресії (з основою 1) і зробив запис: «Quemadmodum autem hic vides, quemlibet terminum progressionis cossicæ, suum habere exponentem in suo ordine (ut 1ze habet 1. 1ʓ habet 2 &c.) sic quilibet numerus cossicus, servat exponentem suæ denominationis implicite, qui ei serviat & utilis sit, potissimus in multiplicatione & divisione, ut paulo inferius dicam.» (Однак, Ви бачите, що кожен елемент послідовності має свій показник степеня (перший — 1, 1ʓ — 2, і т. д.), отже, кожне число неявно підпорядковане степеню залежному від його розташування, який [в свою чергу] підпорядковується йому і є корисним, здебільшого, при множенні та діленні, як я згадаю це трохи нижче.) [Зауваження: Більшість громіздких позначень Штифеля запозичені у Крістофа Рудольффа, який, у свою чергу, запозичив їх у книзі Леонардо Фібоначчі Liber Abaci (1202), де вони використовувались, як скорочення латинських слів res/radix (x), census/zensus (x2), and cubus (x3).]
- Quinion, Michael. Zenzizenzizenzic - the eighth power of a number. World Wide Words. Процитовано 19 березня 2010.
- Це визначення «інволюції» з'явилось у другому виданні OED, 1989, і в онлайн словнику Merriam-Webster . Останнє використання в цьому сенсі, наведене OED, починається з 1806 року.
- Леонард Ейлер (1748) Введення в аналіз нескінченно малих, англ. видання, сторінка 75
- Achatz, Thomas (2005). Technical Shop Mathematics (вид. 3rd). Industrial Press. с. 101. ISBN 0-8311-3086-5.
- Raphael M. Robinson (1958). A report on primes of the form k · 2n + 1 and on factors of Fermat numbers (pdf). Proc. Amer. Math. Soc. 9: 677.
- Anton, Howard; Bivens, Irl; Davis, Stephen. Calculus: Early Transcendentals (вид. 9th). John Wiley & Sons. с. 28.
- Бёрд Дж. Инженерная математика: Карманный справочник — С. 27
- Судоплатов С. В., Овчинникова Е. В. (2002). Элементы дискретной математики. НГТУ. ISBN 5-7782-0332-2.