Возведение в степень

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Графики четырёх функций вида , указано рядом с графиком функции

Возведе́ние в сте́пень — арифметическая операция, первоначально определяемая как результат многократного умножения числа на себя. Степень с основанием и натуральным показателем обозначается как

где  — количество множителей (умножаемых чисел)[1][К 1].

Например,

В языках программирования, где написание невозможно, применяются альтернативные обозначения[⇨].

Возведение в степень может быть определено также для отрицательных[⇨], рациональных[⇨], вещественных[⇨] и комплексных[⇨] степеней[1].

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.

Употребление в устной речи[править | править код]

Запись обычно читается как «a в -й степени» или «a в степени n». Например, читается как «десять в четвёртой степени», читается как «десять в степени три вторых (или: полтора)».

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 a», «куб на a». По этой причине четвёртую степень и выше древние греки избегали[2].

Свойства[править | править код]

Основные свойства[править | править код]

Все приведенные ниже основные свойства возведения в степень выполняются для натуральных, целых, рациональных и вещественных чисел[3]. 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.

Возведение в степень не обладает свойством коммутативности (переместительности): вообще говоря, , например, , но

Таблица натуральных степеней небольших чисел[править | править код]

n n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 n9 n10
2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024
3 9 27 81 243 729 2 187 6 561 19 683 59 049
4 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
8 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
10 100 1000 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000 100 000 000 1 000 000 000 10 000 000 000

Расширения[править | править код]

Целая степень[править | править код]

Операция обобщается на произвольные целые числа, включая отрицательные и ноль[4]::

Результат не определён при и .

Рациональная степень[править | править код]

Возведение в рациональную степени где — целое число, а — натуральное, определяется следующим образом[4]:

.

Результат не определён при и Для отрицательных в случае нечётного и чётного в результате вычисления степени получаются комплексные числа.

Следствие: Таким образом, понятие рациональной степени объединяет возведение в целочисленную степень и извлечение корня в единую операцию.

Вещественная степень[править | править код]

Если  — вещественные числа, причём  — иррациональное число, возможно определить следующим образом: поскольку любое вещественное число можно приблизить, сверху и снизу, двумя рациональными числами, то есть можно подобрать для рациональный интервал с любой степенью точности, то общая часть всех соответствующих интервалов состоит из одной точки, которая и принимается за .

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[править | править код]

Возведение комплексного числа в натуральную степень выполняется обычным умножением, и результат однозначен (см. формулу Муавра). Основой для более общего определения комплексной степени служит экспонента , где число Эйлера, — произвольное комплексное число[5].

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[5]:

Здесь комплексный логарифм, — его главное значение.

При этом комплексный логарифм — многозначная функция, так что, вообще говоря, комплексная степень определена неоднозначно[5]. 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

Потенцирование и антилогарифм[править | править код]

Потенцирование (от нем. potenzieren[К 2]) — нахождение числа по известному значению его логарифма, то есть решение уравнения . Из определения логарифма вытекает, что , таким образом, возведение в степень может быть названо другими словами «потенцированием по основанию ».

Антилогарифм — вычислительная операция нахождения числа по известному значению логарифма, как самостоятельное понятие используется в логарифмических таблицах, логарифмических линейках, микрокалькуляторах. Вычисление антилогарифма по основанию для числа соответствует возведению в степень

Степень как функция[править | править код]

Разновидности[править | править код]

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 функцияизвлечение 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[править | править код]

Основная статья: Ноль в нулевой степени

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[править | править код]

Обозначение[править | править код]

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)[6]. 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[7]; например, у него означало . Варианты размещения показателя степени предлагали Пьер Эригон и шотландский математик Джеймс Юм, они записывали в виде и соответственно[8].

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)[8][9].

Запись возведения в степень в языках программирования[править | править код]

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 Кну́та). В языке Бейсик предложен символ «^» («циркумфлекс»), который приобрёл наибольшую популярность; его часто используют при написании формул и математических выражений не только в языках программирования и компьютерных системах, но и в простом тексте. 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:

Во многих языках программирования (например, в Си и Паскале) отсутствует операция возведения в степень, и для этой цели используют стандартные функции.

Вариации и обобщения[править | править код]

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[10] для любого :

  • , 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[править | править код]

  1. 1 2 Степень // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1985. — Т. 5. — С. 221.
  2. Ван дер Варден. Пробуждающаяся наука. Математика древнего Египта, Вавилона и Греции / Пер. с голл. И. Н. Веселовского. — М., 1959. — С. 165—167. — 456 с.
  3. Справочник по элементарной математике, 1978, с. 140—141.
  4. 1 2 Справочник по элементарной математике, 1978, с. 182—184.
  5. 1 2 3 Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. — 12-е изд.. — М.: Наука, 1977. — С. 597 (подстрочное примечание 3). — 872 с.
  6. History of Mathematical Notations, vol. 1, 2007, §290—297.
  7. History of Mathematical Notations, vol. 1, 2007, §164.
  8. 1 2 Александрова Н. В., 2008, с. 130—131.
  9. History of Mathematical Notations, vol. 1, 2007, §298—301, 307—309.
  10. David M. Bloom. Linear Algebra and Geometry (англ.). — 1979. — P. 45. — ISBN 978-0-521-29324-2.
Комментарии
  1. В разговорной речи иногда говорят, например, что — «a умноженное само на себя три раза», имея в виду, что берётся три множителя . Это не совсем точно и может привести к двусмысленности, так как количество операций умножения будет на одну меньше: (три множителя, но две операции умножения). Часто, когда говорят «a умноженное само на себя три раза», имеют в виду количество умножений, а не множителей, то есть См. Август Давидов. Начальная алгебра. — Типографія Э. Лисслер и Ю. Роман, 1883-01-01. — С. 6. — 534 с.. Чтобы избежать двусмысленности, можно говорить, к примеру: третья степень — это когда «число три раза входит в умножение».
  2. Термин впервые встречается у швейцарского математика Иоганна Рана (1659 год).
  3. Для целой степени.
  4. Для неотрицательной целой степени.
  5. Поддерживает отрицательные степени, в отличие от ^, реализованной только как последовательное умножение.
  6. Начиная с версии 5.6 (см. Руководство по PHP › Appendices › Миграция с PHP 5.5.x на PHP 5.6.x › Новые возможности).
  7. Для степени, представленной числом с плавающей запятой — реализовано через логарифм.
  8. Описан в стандарте EcmaScript 7 (ECMA-262, 7th edition), принятом в июне 2016 года.
  9. 1 2 В JavaScript изначально присутствует метод Math.pow(x, y).

Литература[править | править код]

Ссылки[править | править код]