Umocňování je aritmetická operace , původně definovaná jako výsledek násobení čísla sebou samým. Exponent se základem a přirozeným exponentem se označuje jako
kde - počet faktorů (násobená čísla) [1] [K 1] .
Například,
V programovacích jazycích, kde není možný pravopis, se používá alternativní zápis .
Umocnění lze také definovat pro záporné , racionální , reálné a komplexní mocniny [1] .
Extrakce odmocniny je jedna z operací inverzních k umocňování; najde neznámý základ ze známých hodnot stupně a exponentu . Druhá inverzní operace je logaritmus , najde neznámý exponent ze známých hodnot stupně a základu . Problém nalezení čísla podle jeho známého logaritmu (potenciace, antilogaritmus ) je řešen pomocí operace umocňování.
Existuje rychlý umocňovací algoritmus , který provádí umocňování v menším počtu násobení než v definici.
Zápis se obvykle čte jako " a na tou mocninu" nebo " a na mocninu n ". Čtěte například jako „deset na čtvrtou mocninu“, čtěte jako „deset na tři sekundy (nebo: jedna a půl)“.
Pro druhý a třetí stupeň existují speciální názvy: kvadratura a krychle . Takže se to například čte jako „deset na druhou“, čte se to jako „deset krychlových“. Tato terminologie pochází ze starověké řecké matematiky . Staří Řekové formulovali algebraické konstrukce v jazyce geometrické algebry . Zejména místo slova „násobení“ hovořili o ploše obdélníku nebo o objemu rovnoběžnostěnu : místo toho staří Řekové říkali „čtverec na segmentu a “, „krychle na a “. Z tohoto důvodu se čtvrtému a vyššímu stupni vyhýbali staří Řekové [2] .
Číslo, které vznikne zvýšením přirozeného čísla na -tou mocninu, se nazývá přesná -tá mocnina. Konkrétně číslo, které je výsledkem kvadratury přirozeného čísla (krychle), se nazývá přesný čtverec (krychle). Dokonalý čtverec se také nazývá dokonalý čtverec .
Všechny následující základní vlastnosti umocňování platí pro přirozená, celá, racionální a reálná čísla [3] . U komplexních čísel se kvůli polysémii komplexní operace provádějí pouze v případě přirozeného exponentu .
Záznam nemá vlastnost asociativnosti (kompatibility), tedy v obecném případě Například , ale . V matematice je obvyklé uvažovat o ekvivalentu záznamu a místo toho můžete jednoduše napsat pomocí předchozí vlastnosti. Některé programovací jazyky však tuto konvenci nedodržují.
Umocňování nemá vlastnost komutativnosti (posunutí) : obecně řečeno např .
n | n 2 | n 3 | n4 _ | n 5 | n6 _ | n 7 | n 8 | n9 _ | n 10 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
2 | čtyři | osm | 16 | 32 | 64 | 128 | 256 | 512 | 1024 |
3 | 9 | 27 | 81 | 243 | 729 | 2,187 | 6,561 | 19,683 | 59,049 |
čtyři | 16 | 64 | 256 | 1024 | 4,096 | 16,384 | 65,536 | 262,144 | 1,048,576 |
5 | 25 | 125 | 625 | 3125 | 15,625 | 78,125 | 390,625 | 1,953,125 | 9,765,625 |
6 | 36 | 216 | 1296 | 7,776 | 46,656 | 279,936 | 1,679,616 | 10,077,696 | 60,466,176 |
7 | 49 | 343 | 2401 | 16,807 | 117,649 | 823,543 | 5,764,801 | 40,353,607 | 282,475,249 |
osm | 64 | 512 | 4096 | 32,768 | 262,144 | 2,097,152 | 16,777,216 | 134,217,728 | 1,073,741,824 |
9 | 81 | 729 | 6561 | 59,049 | 531,441 | 4,782,969 | 43,046,721 | 387,420,489 | 3,486,784,401 |
deset | 100 | 1000 | 10 000 | 100 000 | 1 000 000 | 10 000 000 | 100 000 000 | 1 000 000 000 | 10 000 000 000 |
Operace zobecňuje na libovolná celá čísla včetně záporných jedniček a nuly [4] ::
Výsledek není definován pro a .
Zvýšení na racionální mocninu kde je celé číslo a je přirozené kladné číslo je definováno následovně [4] :
.Stupeň se základem rovným nule je určen pouze pro kladný racionální exponent.
U záporných exponentů se zlomkový exponent neuvažuje.
Důsledek: Koncept racionální mocniny tedy kombinuje umocnění na celočíselnou mocninu a extrahování odmocniny do jediné operace.
Množina reálných čísel je souvislé uspořádané pole označované . Množina reálných čísel není spočetná, její mocnina se nazývá mocnina kontinua . Aritmetické operace na reálných číslech reprezentovaných nekonečnými desetinnými zlomky jsou definovány jako spojité pokračování [5] odpovídajících operací s racionálními čísly.
Jsou-li zadána dvě reálná čísla, která mohou být reprezentována jako nekonečná desetinná místa (kde je kladné):
definovaných základními posloupnostmi racionálních čísel (splňujících Cauchyovu podmínku ), označenými jako: a , pak se jejich stupeň nazývá číslo definované stupněm posloupností a :
,reálné číslo , splňuje následující podmínku:
Mocnina reálného čísla je tedy takové reálné číslo , které je obsaženo mezi všemi mocninami druhu na jedné straně a všemi mocninami druhu na straně druhé.
Stupeň se základem rovným nule je určen pouze pro kladný reálný exponent.
Pro záporný exponent se skutečným exponentem se neuvažuje.
V praxi je pro zvýšení čísla na mocninu nutné je nahradit s požadovanou přesností přibližnými racionálními čísly a . Stupeň zadaných racionálních čísel se bere jako přibližná hodnota stupně . Je přitom jedno, z jaké strany (nedostatkem nebo nadbytkem) se převzatá racionální čísla aproximují a .
Příklad umocňování až na 3. desetinné místo:
Užitečné vzorce:
Poslední dva vzorce se používají k umocnění kladných čísel na libovolnou mocninu na elektronických kalkulačkách (včetně počítačových programů), které nemají vestavěnou funkci , a k přibližnému umocňování na neceločíselnou mocninu nebo k umocňování celých čísel, když jsou čísla příliš velké na to, aby bylo možné zapsat celý výsledek.
Zvyšování komplexního čísla na přirozenou mocninu se provádí obyčejným násobením v trigonometrickém tvaru . Výsledek je jasný:
, ( Moivre vzorec ) [6] .Chcete-li zjistit stupeň libovolného komplexního čísla v algebraickém tvaru , můžete použít Newtonův binomický vzorec (který je platný i pro komplexní čísla):
.Nahrazením stupňů na pravé straně vzorce jejich hodnotami v souladu s rovnostmi: , dostaneme:
[7]Základem pro obecnější definici komplexního stupně je exponent , kde je Eulerovo číslo , je libovolné komplexní číslo [8] .
Komplexní exponent definujeme pomocí stejné řady jako reálná:
Tato řada konverguje absolutně pro jakoukoli komplexní řadu, takže její členy lze libovolně přeskupovat. Zejména od něj oddělujeme část pro :
V závorkách jsme dostali řady známé z reálné analýzy pro kosinus a sinus a dostali jsme Eulerův vzorec :
Obecný případ , kde jsou komplexní čísla, je definován pomocí reprezentace v exponenciálním tvaru : podle definujícího vzorce [8] :
Zde je komplexní logaritmus a je jeho hlavní hodnotou.
Komplexní logaritmus je navíc vícehodnotová funkce , takže obecně řečeno, komplexní stupeň není jednoznačně definován [8] . Nezohlednění této okolnosti může vést k chybám. Příklad: povýšme známou identitu na mocnost Nalevo se zjevně ukáže napravo 1. V důsledku toho: což, jak lze snadno ověřit, je špatně. Důvod chyby: zvýšením na mocninu získá levá i pravá nekonečná sada hodnot (pro různé ), takže zde pravidlo neplatí. Pečlivé použití vzorců pro stanovení komplexního stupně dává vlevo a vpravo, odtud je vidět, že kořenem chyby je záměna hodnot tohoto výrazu pro a pro
Protože výraz používá dva symboly ( a ), lze jej považovat za jednu ze tří funkcí.
Výraz (nula až mocnina nuly) je v mnoha učebnicích považován za nedefinovaný a nesmyslný, protože, jak bylo uvedeno výše, funkce v (0, 0) je nespojitá. Někteří autoři navrhují přijmout konvenci, že tento výraz je roven 1. Konkrétně pak rozšíření do řady exponentu:
lze napsat kratší:
Je třeba upozornit, že konvence je čistě symbolická a nelze ji použít v algebraických ani analytických transformacích kvůli diskontinuitě funkce v tomto bodě.
V Evropě se stupeň magnitudy zprvu psal verbálními zkratkami (q nebo Q označovaly čtverec, c nebo C - krychle, bq nebo qq - biquadrát, tedy 4. stupeň atd.) nebo jako produkt - např. byl zobrazen tak, jak si Otred zapsala takto: (pokud je jen jedna neznámá, často jí nebyla přiřazena ikona písmene) [9] . Německá škola kosistů nabízela speciální gotický odznak pro každý stupeň neznáma.
V 17. století se postupně začala prosazovat myšlenka explicitního uvádění exponentu. Girard (1629), pro zvýšení čísla na mocninu, dal před toto číslo indikátor do závorek , a pokud napravo od indikátoru nebylo žádné číslo, znamenalo to, že byla implikována přítomnost neznámé v určeném stupni [ 10] ; například myslel . Pierre Erigon a skotský matematik James Hume navrhli možnosti umístění exponentu , napsali ve formě a [11 ] .
Moderní záznam exponentu - vpravo a nad základnou - zavedl Descartes ve své " Geometrii " (1637), avšak pouze pro přirozené mocniny větší než 2 (kvadratura po dlouhou dobu byla označována starým způsobem, podle produktu). Později Wallis a Newton (1676) rozšířili kartézskou formu zápisu stupně na záporné a zlomkové exponenty, jejichž výklad do této doby byl již znám z děl Orema , Shuqueta , Stevina , Girarda a samotného Wallise. Začátkem 18. století byly alternativy pro psaní titulů „podle Descarta“, jak to vyjádřil Newton v „ Univerzální aritmetice “, „z módy “ . Exponenciální funkce , tj. zvýšení do různé míry, se objevila nejprve v dopisech a poté ve spisech Leibnize (1679). Povýšení na pomyslnou moc zdůvodnil Euler (1743) [11] [12] .
S nástupem počítačů a počítačových programů nastal problém, že v textu počítačových programů nelze zapsat titul ve „dvoupatrové“ podobě. V tomto ohledu byly vynalezeny speciální ikony, které označují operaci umocňování. První takovou ikonou byly dvě hvězdičky : " **", používané v jazyce Fortran . V jazyce Algol , který se objevil o něco později, byla použita ikona šipky : " ↑" ( Knuthovy šipky ). V jazyce BASIC se navrhuje symbol " ^" (" circumflex ", aka " stříška "), který si získal největší popularitu; často se používá při psaní vzorců a matematických výrazů, a to nejen v programovacích jazycích a počítačových systémech, ale také v prostém textu . Příklady:
3^2 = 9; 5^2 = 25; 2^3 = 8; 5^3 = 125.Někdy v počítačových systémech a programovacích jazycích má ikona umocňování levou asociativitu , na rozdíl od konvenční konvence v matematice pravé asociativnosti umocňování. To znamená, že některé programovací jazyky (například program Excel ) mohou vnímat zápis a^b^cjako (a^b)^c, zatímco jiné systémy a jazyky (například Haskell , Perl , Wolfram|Alpha a mnoho dalších) zpracují tento zápis zprava. doleva: a^(b^c), jak je v matematice zvykem: .
Některé symboly pro umocňování v programovacích jazycích a počítačových systémech jsou:
Mnoho programovacích jazyků (jako je Java , C a Pascal ) nemá operaci umocňování a používá k tomuto účelu standardní funkce .
Umocňování s přirozeným exponentem lze definovat nejen pro čísla, ale také pro nečíselné objekty, pro které je definováno násobení - například pro matice , lineární operátory , množiny (vzhledem ke kartézskému součinu , viz kartézský stupeň ).
Obvykle je tato operace uvažována v nějakém multiplikativním monoidu ( pologrupa s identitou) a je definována induktivně [13] pro jakýkoli :
Zvláště cenné je použití umocňování na skupiny a pole , kde vzniká přímá analogie záporných mocnin.
Umocňovací hyperoperátor je tetrace .