Eksponenttioiminen on aritmeettinen operaatio , joka alun perin määriteltiin tulokseksi kertomalla luku itsellään. Eksponenttia , jolla on kanta ja luonnollinen eksponentti , merkitään
missä - tekijöiden lukumäärä (kerrotut luvut) [1] [K 1] .
Esimerkiksi,
Ohjelmointikielissä, joissa oikeinkirjoitus ei ole mahdollista, käytetään vaihtoehtoista merkintää .
Eksponentti voidaan määritellä myös negatiivisille , rationaalisille , todellisille ja kompleksisille potenssiille [1] .
Juuren erottaminen on yksi eksponentiolle käänteisistä operaatioista; se löytää tuntemattoman kantaluvun tunnetuista asteen ja eksponentin arvoista . Toinen käänteisoperaatio on logaritmi , se löytää tuntemattoman eksponentin tunnetuista asteen ja kantaarvon arvoista . Ongelma luvun löytämisestä tunnetulla logaritmilla (potentiointi, antilogaritmi ) ratkaistaan eksponentiooperaatiolla.
On olemassa nopea eksponentioalgoritmi, joka suorittaa eksponentioinnin harvemmissa kertolaskuissa kuin määritelmässä.
Merkintätapa luetaan yleensä " a :n potenssiin" tai " a :n potenssiin n ". Lue esimerkiksi "kymmenen neljänteen potenssiin", lue "kymmenen kolmen sekunnin potenssiin (tai: puolitoista)".
Toiselle ja kolmannelle asteelle on olemassa erityiset nimet: neliöinti ja kuutio , vastaavasti. Joten esimerkiksi se luetaan "kymmenen neliön", se luetaan "kymmenen kuution". Tämä terminologia on peräisin antiikin Kreikan matematiikasta . Muinaiset kreikkalaiset muotoilivat algebrallisia rakenteita geometrisen algebran kielellä . Erityisesti sanan "kertominen" sijaan he puhuivat suorakulmion pinta-alasta tai suuntaissärmiön tilavuudesta : sen sijaan muinaiset kreikkalaiset sanoivat "neliö segmentillä a ", "kuutio a ". Tästä syystä muinaiset kreikkalaiset välttelivät neljättä ja sitä korkeampaa astetta [2] .
Luvua, joka saadaan nostamalla luonnollinen luku -: nteen potenssiin, kutsutaan tarkaksi -: nneksi potenssiksi. Erityisesti lukua, joka on tuloksena luonnollisen luvun (kuution) neliöimisestä, kutsutaan tarkaksi neliöksi (kuutio). Täydellistä neliötä kutsutaan myös täydelliseksi neliöksi .
Kaikki seuraavat eksponentioinnin perusominaisuudet pätevät luonnollisille, kokonaislukuille, rationaalisille ja reaalilukuille [3] . Kompleksiluvuille ne suoritetaan kompleksioperaation polysemian vuoksi vain luonnollisen eksponentin tapauksessa .
Tietueella ei ole assosiatiivisuuden (yhteensopivuuden) ominaisuutta, eli yleisessä tapauksessa Esimerkiksi , mutta . Matematiikassa on tapana pitää tietuevastinetta , ja sen sijaan voidaan kirjoittaa yksinkertaisesti käyttämällä edellistä ominaisuutta. Jotkut ohjelmointikielet eivät kuitenkaan noudata tätä sopimusta.
Eksponenttiolla ei ole kommutatiivisuuden (siirtymän) ominaisuutta : yleisesti ottaen esimerkiksi , mutta
n | n 2 | n 3 | n4 _ | n 5 | n6 _ | n 7 | n 8 | n9_ _ | n 10 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
2 | neljä | kahdeksan | 16 | 32 | 64 | 128 | 256 | 512 | 1024 |
3 | 9 | 27 | 81 | 243 | 729 | 2.187 | 6.561 | 19,683 | 59.049 |
neljä | 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 |
kahdeksan | 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 |
kymmenen | 100 | 1000 | 10 000 | 100 000 | 1 000 000 | 10 000 000 | 100 000 000 | 1 000 000 000 | 10 000 000 000 |
Toiminto yleistyy mielivaltaisiin kokonaislukuihin , mukaan lukien negatiiviset ykköset ja nolla [4] ::
Tulos on määrittelemätön kohteille ja .
Nosto rationaaliseen potenssiin , jossa on kokonaisluku ja on luonnollinen positiivinen luku, määritellään seuraavasti [4] :
.Aste, jonka kanta on yhtä suuri kuin nolla, määritetään vain positiiviselle rationaaliselle eksponentille.
Negatiivisia eksponenteja, joissa on murto-osainen eksponentti, ei oteta huomioon.
Seuraus: Näin ollen rationaalisen potenssin käsite yhdistää kokonaislukupotenssiin nostamisen ja juuren erottamisen yhdeksi operaatioksi.
Reaalilukujoukko on jatkuva järjestynyt kenttä , jota merkitään . Reaalilukujoukko ei ole laskettavissa, sen tehoa kutsutaan jatkumon potenssiksi . Aritmeettiset operaatiot reaaliluvuilla, joita edustavat äärettömät desimaaliluvut, määritellään rationaalilukujen vastaavien operaatioiden jatkuvaksi jatkoksi [5] .
Jos annetaan kaksi reaalilukua, jotka voidaan esittää äärettöminä desimaalilukuina (missä on positiivinen):
määritellään vastaavasti rationaalilukujen perussarjoilla (jotka täyttävät Cauchyn ehdon ), joita merkitään: ja , jolloin niiden astetta kutsutaan luvuksi , jonka määrittelee sekvenssien aste ja :
,todellinen luku , täyttää seuraavan ehdon:
Siten reaaliluvun potenssi on sellainen reaaliluku , joka sisältyy toisella puolella olevan lajin kaikkien potenssien ja toisella puolen kaikkien lajien potenssien väliin .
Aste, jonka kanta on yhtä suuri kuin nolla, määritetään vain positiiviselle reaalieksponentille.
Negatiivista eksponenttia, jolla on todellinen eksponentti, ei oteta huomioon.
Käytännössä luvun nostamiseksi potenssiin , ne on korvattava vaaditulla tarkkuudella likimääräisillä rationaalisilla luvuilla ja . Määritettyjen rationaalilukujen aste otetaan asteen likimääräiseksi arvoksi . Samalla ei ole väliä, kummalta puolelta (puutteen tai ylimäärän perusteella) otetut rationaaliluvut ovat likimääräisiä ja .
Esimerkki eksponentiosta 3 desimaalin tarkkuudella:
Hyödyllisiä kaavoja:
Kahta viimeistä kaavaa käytetään nostamaan positiiviset luvut mielivaltaiseen potenssiin elektronisissa laskimissa (mukaan lukien tietokoneohjelmat), joissa ei ole sisäänrakennettua toimintoa , ja likimääräiseen eksponentioon ei-kokonaisluvun potenssiin tai kokonaislukujen eksponentiointiin, kun luvut ovat liian suuri kirjoittaaksesi tuloksen kokonaan muistiin.
Kompleksiluvun nostaminen luonnolliseen potenssiin tehdään tavallisella kertolaskulla trigonometrisessa muodossa . Tulos on selvä:
, ( Moivren kaava ) [6] .Jos haluat löytää mielivaltaisen kompleksiluvun asteen algebrallisessa muodossa , voit käyttää Newtonin binomikaavaa ( joka pätee myös kompleksiluvuille):
.Korvaamalla kaavan oikealla puolella olevat asteet niiden arvoilla yhtälöiden mukaisesti: , saamme:
[7]Perusta yleisemmälle kompleksiasteen määritelmälle on eksponentti , jossa on Eulerin luku , on mielivaltainen kompleksiluku [8] .
Määritämme kompleksisen eksponentin käyttämällä samaa sarjaa kuin todellinen:
Tämä sarja soveltuu ehdottomasti mihin tahansa monimutkaiseen sarjaan, joten sen jäsenet voidaan järjestää uudelleen millä tahansa tavalla. Erottelemme siitä erityisesti osan :
Suluissa saimme kosinin ja sinin todellisesta analyysistä tunnetut sarjat ja saimme Eulerin kaavan :
Yleinen tapaus , jossa ovat kompleksiluvut, määritellään esittämällä eksponentiaalisessa muodossa : määrittävän kaavan [8] mukaisesti :
Tässä on monimutkainen logaritmi ja sen pääarvo.
Lisäksi kompleksinen logaritmi on moniarvoinen funktio , joten yleisesti ottaen kompleksiaste ei ole yksiselitteisesti määritelty [8] . Tämän seikan huomiotta jättäminen voi johtaa virheisiin. Esimerkki: nostetaan tunnettu identiteetti potenssiksi . Vasemmalla, oikealla, ilmeisesti 1. Seurauksena: mikä, kuten on helppo tarkistaa, on väärin. Virheen syy: potenssiin nostaminen antaa sekä vasemmalle että oikealle äärettömän joukon arvoja (eri ), joten sääntö ei sovellu tähän. Monimutkaisen asteen määrityskaavojen huolellinen soveltaminen antaa vasemmalla ja oikealla, tästä näkyy, että virheen juuri on tämän lausekkeen arvojen hämmennys for ja for
Koska lauseke käyttää kahta symbolia ( ja ), sitä voidaan pitää yhtenä kolmesta funktiosta.
Useat oppikirjat pitävät lauseketta (nollasta nollan potenssiin) määrittelemättömänä ja merkityksettömänä, koska, kuten edellä todettiin, funktio kohdassa (0, 0) on epäjatkuva. Jotkut kirjoittajat ehdottavat, että hyväksytään sopimus, jonka mukaan tämä lauseke on yhtä suuri kuin 1. Erityisesti sitten laajennus eksponentin sarjaksi:
voidaan kirjoittaa lyhyemmin:
On syytä varoittaa, että sopimus on puhtaasti symbolinen eikä sitä voida käyttää algebrallisissa tai analyyttisissä muunnoksissa funktion epäjatkuvuuden vuoksi tässä vaiheessa.
Euroopassa suuruusaste kirjoitettiin aluksi sanan lyhenteillä (q tai Q merkitsi neliötä, c tai C - kuutio, bq tai qq - bikvadraatti, eli 4. astetta jne.) tai tuote - esimerkiksi se kuvattiin Otredin kirjoittamana seuraavasti: (jos on vain yksi tuntematon, sille ei usein annettu kirjainkuvaketta) [9] . Saksalainen kossistikoulu tarjosi erityisen goottilaisen tunnuksen jokaiselle tuntemattomuuden asteikolle.
1600-luvulla ajatus eksponentin nimenomaisesta ilmoittamisesta alkoi vähitellen valloittaa. Girard (1629) luvun nostamiseksi potenssiin laittoi ilmaisimen sulkeisiin tämän luvun eteen , ja jos indikaattorin oikealla puolella ei ollut numeroa, tämä tarkoitti, että tuntemattoman läsnäolo määritellyssä määrin [ 10] ; hän tarkoitti esimerkiksi . Pierre Erigon ja skotlantilainen matemaatikko James Hume ehdottivat sijoitteluvaihtoehtoja eksponentille , he kirjoittivat muodossa ja vastaavasti [11] .
Eksponentin nykyaikaisen tietueen - oikealla ja kannan yläpuolella - Descartes esitteli " Geometriassa " (1637), kuitenkin vain luonnollisille potenssille, joka on suurempi kuin 2 (neliöintiä merkittiin pitkään vanhalla tavalla, tuotteen mukaan). Myöhemmin Wallis ja Newton (1676) laajensivat karteesisen asteen kirjoitusmuodon negatiivisiin ja murto-osien eksponenteihin, joiden tulkinta oli tuolloin jo tunnettu Oremin , Shuquetin , Stevinin , Girardin ja Wallisin teoksista. 1700-luvun alkuun mennessä vaihtoehdot tutkintojen kirjoittamiselle "Descartesin mukaan", kuten Newton sanoi " Universal Aithmeticissa ", olivat "poissa muodista " . Eksponentiaalinen funktio eli vaihtelevassa määrin nostaminen esiintyi ensin kirjeissä ja sitten Leibnizin (1679) kirjoituksissa. Euler (1743) [11] [12] perusteli nostamisen kuvitteelliseksi voimaksi .
Tietokoneiden ja tietokoneohjelmien tulon myötä syntyi ongelma, että tietokoneohjelmien tekstissä on mahdotonta kirjoittaa tutkintoa "kaksikerroksisessa" muodossa. Tältä osin keksittiin erityisiä kuvakkeita osoittamaan eksponentioinnin toimintaa. Ensimmäinen kuvake oli kaksi tähteä : " **", jota käytetään Fortran -kielessä . Algol - kielessä, joka ilmestyi hieman myöhemmin, käytettiin nuolikuvaketta : " ↑" ( Knuthin nuolet ). BASIC - kielessä ehdotetaan symbolia " ^" (" circumflex ", alias " caret "), joka on saavuttanut suurimman suosion; sitä käytetään usein kirjoitettaessa kaavoja ja matemaattisia lausekkeita, ei vain ohjelmointikielissä ja tietokonejärjestelmissä, vaan myös tavallisena tekstinä . Esimerkkejä:
3^2 = 9; 5^2 = 25; 2^3 = 8; 5^3 = 125.Joskus tietokonejärjestelmissä ja ohjelmointikielissä eksponentiointikuvake on jättänyt assosiatiivisuuden , toisin kuin matematiikan tavanomaisessa käytännössä eksponentioinnin oikeasta assosiatiivisuudesta. Toisin sanoen jotkut ohjelmointikielet (esimerkiksi Excel -ohjelma ) voivat havaita merkinnän a^b^cmuodossa (a^b)^c, kun taas toiset järjestelmät ja kielet (esim. Haskell , Perl , Wolfram|Alpha ja monet muut) käsittelevät tämän merkinnän oikealta puolelta. vasemmalle: a^(b^c), kuten matematiikassa on tapana: .
Jotkut ohjelmointikielien ja tietokonejärjestelmien eksponentioimisen symbolit ovat:
Monilla ohjelmointikielillä (kuten Java , C ja Pascal ) ei ole eksponentiotoimintoa , ja ne käyttävät tähän tarkoitukseen vakiotoimintoja .
Eksponenttia luonnollisella eksponentilla voidaan määrittää paitsi numeroille, myös ei-numeerisille objekteille, joille kertolasku on määritelty - esimerkiksi matriiseihin , lineaarisiin operaattoreihin , joukkoihin (suhteessa karteesiseen tuloon , katso karteesinen aste ).
Yleensä tätä operaatiota tarkastellaan jossain kertovassa monoidissa ( puoliryhmässä identiteetillä) ja se määritellään induktiivisesti [13] mille tahansa :
Erityisen arvokasta on eksponentioinnin soveltaminen ryhmiin ja kenttiin , joissa syntyy negatiivisten potenssien suora analogi.
Eksponentioinnin hyperoperaattori on tetratio .