Umocňování

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 27. března 2022; kontroly vyžadují 12 úprav .

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.

Použití v ústní řeči

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 .

Vlastnosti

Základní vlastnosti

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 .

Tabulka přirozených mocnin malých čísel

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

Rozšíření

Mocnina celého čísla

Operace zobecňuje na libovolná celá čísla včetně záporných jedniček a nuly [4] ::

Výsledek není definován pro a .

Racionální stupeň

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.

Skutečný titul

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.

Komplexní stupeň

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

Stupeň jako funkce

Odrůdy

Protože výraz používá dva symboly ( a ), lze jej považovat za jednu ze tří funkcí.

Nula na mocninu nuly

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.

Historie

Označení

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] .

Zápis umocňování v programovacích jazycích

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 .

Variace a zobecnění

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 .

Poznámky

  1. 1 2 Degree // Matematická encyklopedie (v 5 svazcích). - M .: Sovětská encyklopedie , 1985. - T. 5. - S. 221.
  2. Van der Waerden. Věda probuzení. Matematika starověkého Egypta, Babylonu a Řecka / Per. s cílem I. N. Veselovský. - M. , 1959. - S. 165-167. — 456 s.
  3. Příručka elementární matematiky, 1978 , s. 140-141.
  4. 1 2 Příručka elementární matematiky, 1978 , str. 182-184.
  5. Protože vztah lineárního řádu již byl zaveden na množině reálných čísel, můžeme definovat topologii reálné čáry: jako otevřené množiny bereme všechny možné svazy intervalů tvaru
  6. Piskunov N. S. § 3. Umocnění komplexního čísla na mocninu a vyjmutí odmocniny z komplexního čísla . scask.ru _ Staženo: 27. března 2022.
  7. Bliznyakov N.M. KOMPLEXNÍ ČÍSLA . Vzdělávací a metodická příručka pro vysoké školy 23. Datum zpřístupnění: 27. 3. 2022. Archivováno z originálu 1. 4. 2022.
  8. 1 2 3 Vygodsky M. Ya. Příručka vyšší matematiky. - 12. vyd. - M. : Nauka, 1977. - S. 597 (poznámka pod čarou 3). — 872 s.
  9. Historie matematických notací, sv. 1, 2007 , §290-297.
  10. Historie matematických notací, sv. 1, 2007 , §164.
  11. 1 2 Aleksandrova N. V., 2008 , s. 130-131.
  12. Historie matematických notací, sv. 1, 2007 , §298-301, 307-309.
  13. David M. Bloom. Lineární algebra a  geometrie . - 1979. - S.  45 . - ISBN 978-0-521-29324-2 .
Komentáře
  1. V hovorové řeči se někdy říká, že například  - „ a násobeno sebou třikrát “, což znamená, že se berou tři faktory . To není zcela přesné a může to vést k nejednoznačnosti, protože počet násobení bude o jedno méně: (tři násobiče, ale dvě násobení). Často, když říkají „ a násobeno samo sebou třikrát“, mají na mysli počet násobení, nikoli faktory, tedy viz August Davidov. Základní algebra . - Tiskárna E. Lissler a Y. Roman, 1883-01-01. - S. 6. - 534 s. Archivováno 31. května 2016 na Wayback Machine . Abychom se vyhnuli nejednoznačnosti, můžeme říci např.: třetí stupeň je, když „číslo je vynásobeno třikrát“.
  2. Pro celočíselný stupeň.
  3. Pro nezápornou mocninu celého čísla.
  4. Podporuje záporné exponenty, na rozdíl od ^, které je implementováno pouze jako sériové násobení.
  5. Od verze 5.6 (viz Manuál PHP › Dodatky › Migrace z PHP 5.5.x na PHP 5.6.x › Nové funkce archivované 18. dubna 2018 na Wayback Machine ).
  6. Pro stupeň reprezentovaný číslem s plovoucí desetinnou čárkou je implementován pomocí logaritmu.
  7. Popsáno ve standardu EcmaScript 7 (ECMA-262, 7. vydání), přijatém v červnu 2016.
  8. ↑ 1 2 JavaScript je dodáván s příponou . Math.pow(x, y)

Literatura

Odkazy