Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Возведение в степень (устар. возвышение в степень[1]) — арифметическая операция, первоначально определяемая как результат многократного умножения числа на себя. Степень с основанием и натуральным показателем обозначается как
где — количество множителей (умножаемых чисел)[2][К 1].
Например,
В языках программирования, где написание невозможно, применяются альтернативные обозначения.
Возведение в степень может быть определено также для отрицательных,
Извлечение корня — одна из операций, обратных возведению в степень, она по известным значениям степени и показателя находит неизвестное основание . Вторая обратная операция — логарифмирование, она по известным значениям степени и основания находит неизвестный показатель . Задача нахождения числа по известному его логарифму (потенцирование, антилогарифм) решается с помощью операции возведения в степень.
Существует алгоритм быстрого возведения в степень, выполняющий возведение в степень за меньшее, чем в определении, число умножений.
Содержание
Употребление в устной речи
Запись обычно читается как «a в -й степени» или «
Для второй и третьей степени существуют специальные названия: возведение в квадрат и в куб соответственно. Так, например, читается как «десять в квадрате», читается как «десять в кубе». Такая терминология возникла из древнегреческой математики. Древние греки формулировали алгебраические конструкции на языке геометрической алгебры. В частности, вместо употребления слова «умножение» они говорили о площади прямоугольника или об объёме параллелепипеда: вместо , древние греки говорили «квадрат на отрезке
Число, являющееся результатом возведения натурального числа в -ую степень, называется точной -ой степенью. В частности, число, являющееся результатом возведения натурального числа в квадрат (куб), называется точным квадратом (кубом). Точный квадрат также называется полным квадратом.
Свойства
Основные свойства
Все приведённые ниже основные свойства возведения в степень выполняются для натуральных, целых, рациональных и вещественных чисел[4]. Для комплексных чисел, в силу многозначности комплексной операции, они выполняются только в случае натурального показателя степени.
Запись не обладает свойством ассоциативности (сочетательности), то есть, в общем случае, Например, , а . В математике принято считать запись равнозначной , а вместо можно писать просто , пользуясь предыдущим свойством. Впрочем, некоторые языки программирования не придерживаются этого соглашения[какой?].
Возведение в степень не обладает свойством коммутативности (переместительности): вообще говоря, , например, , но Причём во втором случае, когда основание больше показателя, результат получается меньше, чем в обратном случае: иначе говоря, когда ,
Таблица натуральных степеней небольших чисел
n |
n2 |
n3 |
n4 |
n5 |
n6 |
n7 |
n8 |
n9 |
n10 |
n
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 = 1 (Абсолютная бесконечность и Бесконечность)
|
2 |
4 |
8 |
16 |
32 |
64 |
128 |
256 |
512 |
1024 |
2
|
3 |
9 |
27 |
81 |
243 |
729 |
2187 |
6561 |
19 683 |
59 049 |
3
|
4 |
16 |
64 |
256 |
1024 |
4096 |
16 384 |
65 536 |
262 144 |
1 048 576 |
4
|
5 |
25 |
125 |
625 |
3125 |
15 625 |
78 125 |
390 625 |
1 953 125 |
9 765 625 |
5
|
6 |
36 |
216 |
1296 |
7776 |
46 656 |
279 936 |
1 679 616 |
10 077 696 |
60 466 176 |
6
|
7 |
49 |
343 |
2401 |
16 807 |
117 649 |
823 543 |
5 764 801 |
40 353 607 |
282 475 249 |
7
|
8 |
64 |
512 |
4096 |
32 768 |
262 144 |
2 097 152 |
16 777 216 |
134 217 728 |
1 073 741 824 |
8
|
9 |
81 |
729 |
6561 |
59 049 |
531 441 |
4 782 969 |
43 046 721 |
387 420 489 |
3 486 784 401 |
9
|
10 |
100 |
1000 |
10 000 |
100 000 |
1 000 000 |
10 000 000 |
100 000 000 |
1 000 000 000 |
10 000 000 000 |
10
|
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Свойство степеней чисел
Всякая степень числа есть сумма стольких последовательных нечётных чисел, сколько единиц в основании степени.
Расширения
Целая степень
Операция обобщается на произвольные целые числа, включая отрицательные и ноль[5]::
Результат не определён при и .
Рациональная степень
Возведение в рациональную степень где — целое число, а — натуральное, положительного числа определяется следующим образом[5]:
- .
Степень с основанием, равным нулю, определяют только для положительного рационального показателя.
Для отрицательных степень с дробным показателем не рассматривается.
Следствие: Таким образом, понятие рациональной степени объединяет возведение в целочисленную степень и извлечение корня в единую операцию.
Вещественная степень
Множество вещественных чисел — непрерывное упорядоченное поле, обозначается . Множество вещественных чисел не является счётным, его мощность называется мощностью континуума. Арифметические операции над вещественными числами представимых бесконечными десятичными дробями определяются как непрерывное продолжение[6] соответствующих операций над рациональными числами.
Если даны два вещественных числа, представимые бесконечными десятичными дробями (где — положительное):
определённые соответственно фундаментальными последовательностями рациональных чисел (удовлетворяющие условию Коши), обозначенные как: и , то их степенью называют число , определённое степенью последовательностей и :
- ,
вещественное число , удовлетворяет следующему условию:
Таким образом степенью вещественного числа является такое вещественное число которое содержится между всеми степенями вида с одной стороны и всеми степенями вида с другой стороны.
Степень с основанием, равным нулю, определяют только для положительного вещественного показателя.
Для отрицательных степень с вещественным показателем не рассматривается.
На практике для того, чтобы возвести число в степень , необходимо заменить их с требуемой точностью приближёнными рациональными числами и . За приближенное значение степени берут степень указанных рациональных чисел . При этом не важно, с какой стороны (по недостатку или по избытку) взятые рациональные числа приближают и .
Пример возведения в степень , с точностью до 3-го знака после запятой:
- Округляем данные числа до 4-го знака после запятой (для повышения точности вычислений);
- Получаем: ;
- возводим в степень: ;
- Округляем до 3-го знака после запятой: .
Полезные формулы:
Последние две формулы используют для возведения положительных чисел в произвольную степень на электронных калькуляторах (включая компьютерные программы), не имеющих встроенной функции , и для приближённого возведения в нецелую степень или для целочисленного возведения в степень, когда числа слишком велики для того, чтобы записать результат полностью.
Комплексная степень
Возведение комплексного числа в натуральную степень выполняется обычным умножением в тригонометрической форме. Результат однозначен:
- , (формула Муавра)[7].
Для нахождения степени произвольного комплексного числа в алгебраической форме можно воспользоваться формулой бинома Ньютона (справедливой и для комплексных чисел):
- .
Заменяя степени в правой части формулы их значениями в соответствии с равенствами: , получим:
- [8]
Основой для более общего определения комплексной степени служит экспонента , где — число Эйлера, — произвольное комплексное число[9].
Определим комплексную экспоненту с помощью такого же ряда, как и вещественную:
Этот ряд абсолютно сходится для любого комплексного поэтому его члены можно как угодно перегруппировывать. В частности, отделим от него часть для :
В скобках получились известные из вещественного анализа ряды для косинуса и синуса, и мы получили формулу Эйлера:
Общий случай , где — комплексные числа, определяется через представление в показательной форме: согласно определяющей формуле[9]:
Здесь — комплексный логарифм, — его главное значение.
При этом комплексный логарифм — многозначная функция, так что, вообще говоря, комплексная степень определена неоднозначно[9]. Неучёт этого обстоятельства может привести к ошибкам. Пример: возведём известное тождество в степень Слева получится справа, очевидно, 1. В итоге: что, как легко проверить, неверно. Причина ошибки: возведение в степень даёт и слева, и справа бесконечное множество значений (при разных ), поэтому правило здесь неприменимо. Аккуратное применение формул определения комплексной степени даёт слева и справа отсюда видно, что корень ошибки — путаница значений этого выражения при и при
Степень как функция
Разновидности
Поскольку в выражении используются два символа ( и ), то его можно рассматривать как одну из трёх функций.
- Функция переменной (при этом — постоянная-параметр). Такая функция называется степенной. Обратная функция — извлечение корня.
- Функция переменной (при этом — постоянная-параметр). Такая функция называется показательной (частный случай — экспонента). Обратная функция — логарифм.
- Функция двух переменных Отметим, что в точке эта функция имеет неустранимый разрыв. В самом деле, вдоль положительного направления оси где она равна единице, а вдоль положительного направления оси где она равна нулю.
Ноль в степени ноль
Выражение (ноль в нулевой степени) многие учебники считают неопределённым и лишённым смысла, поскольку, как указано выше, функция в точке (0, 0) разрывна. Некоторые авторы предлагают принять соглашение о том, что это выражение равно 1. В частности, тогда разложение в ряд экспоненты:
можно записать короче:
Следует предостеречь, что соглашение чисто символическое, и оно не может использоваться ни в алгебраических, ни в аналитических преобразованиях из-за разрывности функции в этой точке.
История
Обозначение
В Европе сначала степень величины записывали словесными сокращениями (q или Q обозначало квадрат, c или C — куб, bq или qq — биквадрат, то есть 4-я степень и т. д.) или как произведение — например, изображалось как Отред записывал следующим образом: (если неизвестная всего одна, ей часто не присваивался буквенный значок)[10]. Немецкая школа коссистов для каждой степени неизвестной предлагала особый готический значок.
В XVII веке постепенно стала преобладать идея явно указывать показатель степени. Жирар (1629 год) для возведения в степень числа ставил показатель в круглых скобках перед этим числом, а если числа правее показателя не было, то это значило, что подразумевается наличие неизвестного в указанной степени[11]; например, у него означало . Варианты размещения показателя степени предлагали Пьер Эригон и шотландский математик Джеймс Юм, они записывали в виде и соответственно[12].
Современная запись показателя степени — правее и выше основания — введена Декартом в его «Геометрии» (1637), правда, только для натуральных степеней, больших 2 (возведение в квадрат ещё долгое время обозначалось по-старому, произведением). Позднее Валлис и Ньютон (1676) распространили декартову форму записи степени на отрицательные и дробные показатели, трактовка которых к этому времени уже была известна из трудов Орема, Шюке, Стевина, Жирара и самого Валлиса. К началу XVIII столетия альтернативы для записи степеней «по Декарту», как выразился Ньютон в «Универсальной арифметике», «вышли из моды» (out of fashion). Показательная функция, то есть возведение в переменную степень, появилась сначала в письмах, а потом и в трудах Лейбница (1679). Возведение в мнимую степень обосновал Эйлер (1743)[12][13].
Запись возведения в степень в языках программирования
С появлением компьютеров и компьютерных программ возникла проблема, состоящая в том, что в тексте компьютерных программ невозможно записать степень в «двухэтажном» виде. В связи с этим изобрели особые значки для обозначения операции возведения в степень. Первым таким значком были две звёздочки: «** », используемые в языке Фортран. В появившемся несколько позже языке Алгол использовался значок стрелки: « » (стрелки Кнута). Во второй редакции ASCII символ стрелки был заменён символом «циркумфлекс» (^ , на жаргоне его также называют «шапочка» (hat) и «карет»). Разработчикам языков программирования было предложено использовать комбинацию из циркумфлекса и вертикальной черты, чтобы изобразить стрелку, однако такой вариант не получил распространения, и в этом качестве стали использовать просто символ циркумфлекса[14]. Примеры:
3^2 = 9 ; 5^2 = 25 ; 2^3 = 8 ; 5^3 = 125 .
Иногда в компьютерных системах и языках программирования значок возведения в степень имеет левую ассоциативность, в отличие от принятого в математике соглашения о правой ассоциативности возведения в степень.
То есть некоторые языки программирования (например, программа Excel) могут воспринимать запись a^b^c , как (a^b)^c , тогда как другие системы и языки (например, Haskell, Perl, Wolfram|Alpha и многие другие) обработают эту запись справа налево: a^(b^c) , как это принято в математике: .
Некоторые знаки возведения в степень в языках программирования и компьютерных системах:
x y : Алгол, некоторые диалекты Бейсика;
x ^ y : Бейсик, J, MATLAB, R, Microsoft Excel, TeX, bc[К 2], Haskell[К 3], Lua, MathML и большинство систем компьютерной алгебры;
x ^^ y : Haskell[К 4], D;
x ** y : Ада, Bash, Кобол, Фортран, FoxPro, Gnuplot, OCaml, Perl, PL/I, PHP[К 5], Python, REXX, Ruby, SAS, Seed7, Tcl, ABAP, Haskell[К 6], Turing[англ.], VHDL, ECMAScript[К 7][К 8], AutoHotkey[К 8], JavaScript;
xy : APL.
Во многих языках программирования (например, в Java, Си и Паскале) отсутствует операция возведения в степень, и для этой цели используют стандартные функции.
Вариации и обобщения
Возведение в степень с натуральным показателем можно определить не только для чисел, но и для нечисловых объектов, для которых определено умножение — например, к матрицам, линейным операторам, множествам (относительно декартова произведения, см. декартова степень).
Обычно эта операция рассматривается в некотором мультипликативном моноиде (полугруппе с единицей) и определяется индуктивно[15] для любого :
- (где — единица моноида).
- , где
- Если то определён только для обратимых элементов
Особенную ценность представляет применение возведения в степень к группам и полям, где возникает прямой аналог отрицательных степеней.
Гипероператор возведения в степень — тетрация.
Примечания
- См., напр.: §13 «Возвышение в степень чисел» в рус. пер. работы Р. Дедекинда, где последовательно используется этот оборот; ср. также старые учебники по алгебре.
- 1 2 Степень // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1985. — Т. 5. — С. 221.
-
- Справочник по элементарной математике, 1978, с. 140—141.
- 1 2 Справочник по элементарной математике, 1978, с. 182—184.
- Поскольку на множестве вещественных чисел уже введено отношение линейного порядка, то мы можем определить топологию числовой прямой: в качестве открытых множеств возьмём всевозможные объединения интервалов вида
- Пискунов Н. С. § 3. Возведение комплексного числа в степень и извлечение корня из комплексного числа (рус.). scask.ru. Дата обращения: 27 марта 2022.
- Близняков Н.М. КОМПЛЕКСНЫЕ ЧИСЛА (рус.). Учебно-методическое пособие для вузов 23. Дата обращения: 27 марта 2022. Архивировано 1 апреля 2022 года.
- 1 2 3
- History of Mathematical Notations, vol. 1, 2007, §290—297.
- History of Mathematical Notations, vol. 1, 2007, §164.
- 1 2 Александрова Н. В., 2008, с. 130—131.
- History of Mathematical Notations, vol. 1, 2007, §298—301, 307—309.
- Fischer, Eric. The Evolution of Character Codes, 1874–1968 (англ.) 25 (20 июня 2000). Дата обращения: 30 ноября 2022. Архивировано 30 ноября 2022 года.
-
Комментарии
- В разговорной речи иногда говорят, например, что — «
- Для целой степени.
- Для неотрицательной целой степени.
- Поддерживает отрицательные степени, в отличие от
^ , реализованной только как последовательное умножение.
- Начиная с версии 5.6 (см. Руководство по PHP › Appendices › Миграция с PHP 5.5.x на PHP 5.6.x › Новые возможности Архивная копия от 18 апреля 2018 на Wayback Machine).
- Для степени, представленной числом с плавающей запятой — реализовано через логарифм.
- Описан в стандарте EcmaScript 7 (ECMA-262, 7th edition), принятом в июне 2016 года.
- 1 2 В JavaScript изначально присутствует метод
Math.pow(x, y) .
Литература- Александрова Н. В. История математических терминов, понятий, обозначений: Словарь-справочник. — 3-е изд. — СПб.: ЛКИ, 2008. — 248 с. — ISBN 978-5-382-00839-4.
- Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. — М.: Наука, 1978. — 509 с.
- Зайцев В. В., Рыжков В. В., Сканави М. И. Элементарная математика. Повторительный курс. — Издание третье, стереотипное. — М.: Наука, 1976. — 591 с.
- Степенная функция // Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1969—1978.
- Cajori F. A History of Mathematical Notations. Vol. 1 (1929 reprint). — NY: Cosimo, Inc., 2007. — xvi + 456 p. — ISBN 978-1-60206-684-7.
Ссылки
|
|