توان (ریاضی)
توان یک عملیات ریاضی است که به صورت نوشته میشود. این عملیات به صورت به توان خوانده میشود و در آن بهعنوان پایه و به عنوان توان، نِما[۱] یا قوه (کاربرد قدیمی) شناخته میشوند. هنگامی که یک عدد صحیح مثبت باشد، عملیات توان معادل بار ضرب در خود است:
به این ترتیب و برای هر دو عدد صحیح مثبت و میتوان نوشت . همچنین با بسط تعریف عملیات به توانهای صحیح غیرمثبت، معادل تعریف میشود و ( مثبت و غیر صفر) معادل خواهد بود. بهطور خاص معادل یا وارون ضربی است.
با گسترش تعریف توان، میتوان هر عدد حقیقی یا مختلط را به عنوان نما استفاده کرد. همچنین توانهای صحیح را میتوان به ساختارهای دیگر جبری (برای مثال ماتریسها) اعمال کرد.
عملیات توان در بسیاری از علوم دیگر از جمله در اقتصاد، زیستشناسی، شیمی، فیزیک و علوم رایانه و بار کاربردهایی مانند بهره مرکب، رشد جمعیت، سینتیک شیمیایی، رفتار موجی و رمزنگاری کلید عمومی مورد استفاده قرار میگیرد.
مربع یک عدد مثل x اشاره دارد به عددی مانند y که y=x² و در آن توان ایکس برابر دو است. مکعب یک عدد مثل x اشاره دارد به عددی مانند y که y=x³ و در آن توان ایکس برابر سه است.
اگر رادیکال بافرجه۲باشد پس از جذر کمک میگیریم یعنی ریشهگیری میکنیم
- 'توان عدد (یعنی ازیک فرجه گسترش پیداکرده ]][[ (۲×۴)۱۲ دراینباره توان مشخص نیست از جذر۲ریشه گرفته میشود
نماهای صحیح مثبت
ویرایشسادهترین نوع توان، با نماهای صحیح مثبت است. نما بیانگر این است که پایه چند بار باید در خود ضرب شود. برای مثال سه به توان پنج = ۳ × ۳ × ۳ × ۳ × ۳ = ۲۴۳. در اینجا ۳ پایه و ۵ نما است، و ۲۴۳ برابر است با ۳ به توان ۵. عدد ۳، پنج بار در خودش ضرب میشود چون نما برابر ۵ است.
بهطور قراردادی، a2 = a×a را مربع، a3 = a×a×a را مکعب مینامیم؛ مثلاً 32 «مربع سه» و 33 «مکعب سه» خوانده میشوند.
اولین توان را میتوانیم به صورت a0 = ۱ و سایر توانها را به صورت an+1 = a·an بنویسیم. اگر شکل مکعبی یا مستطیل به شما بدهد پس از فرمول (یک ضلع×خودش) استفاده شود. به گونه ای که برای ضلعهای برابر توان۲در نظر میگیریم
نماهای صفر و یک
ویرایش35 را میتوان به صورت ۳ × ۳ × ۳ × ۳ × ۳ هم نوشت، عدد یک را میتوان چندین بار در عبارت مورد نظر ضرب کرد، زیرا در عمل ضرب عدد یک تفاوتی در جواب ایجاد نمیکند و همان جواب گذشته را میدهد. با این تعریف، میتوانیم آن را در توان صفر و یک هم استفاده کنیم:
- هر عدد به توان یک برابر خودش است.
a1 = a
- هر عدد به توان صفر برابر با یک است.
a0 = 1
(برخی نویسندگان 00 را تعریف نشده میخوانند) برای مثال: a0= a2-2= a2/a2 = ۱ (در صورتی که a ≠ ۰)
نماهای صحیح منفی
ویرایشاگر عددی غیرمنفی را به توان ۱- برسانیم، حاصل برابر معکوس آن عدد است.
a−1 = 1/a
در نتیجه:
a−n = (an)−1 = 1/an
اگر صفر را به توان عددی منفی برسانیم، حاصل در مخرجشخطای یادکرد: خطای یادکرد: برچسب تمام کنندهٔ </ref> بدون برچسب <ref> (). ]]</ref> صفر دارد و تعریف نشدهاست. توان منفی را میتوان به صورت تقسیم مکرر پایه هم نشان داد؛ یعنی ۵-۳ = ۱ ÷ ۳ ÷ ۳ ÷ ۳ ÷ ۳ ÷ ۳ = ۱/۲۴۳ = 5-3/ 1.
خواص
ویرایشمهمترین خاصیت توان با نماهای صحیح عبارتست از:
که از آن میتوان عبارات زیر را نتیجه گرفت:
از آنجایی که جمع و ضرب خاصیت جابجایی دارند (برای مثال ۲+۳ = ۵ = ۳+۲ و ۲×۳ = ۶ = ۳×۲) توان دارای خاصیت جابجایی نیست: 23 = ۸ است در حالی که 32 = ۹. همچنین جمع و ضرب دارای خاصیت انجمنی هستند (برای مثال (۲+۳)+۴ = ۹ = ۲+(۳+۴) و (۲×۳)×۴ = ۲۴ = ۲×(۳×۴)) توان باز هم دارای این خاصیت نیست: 23 به توان چهار برابر است با 84 یا ۴۰۹۶، در حالی که ۲ به توان 34 برابر است با 281 یا ۲٬۴۱۷٬۸۵۱٬۶۳۹٬۲۲۹٬۲۵۸٬۳۴۹٬۴۱۲٬۳۵۲. البته اعداد ۲ و ۴ در توان خاصیت جابجایی دارند چون (۱۶=۲^۴=۴^۲)
توانهای ده
ویرایشدر سیستم مبنای ده، محاسبه توانهای ده بسیار راحت است: برای مثال 106 برابر است با یک میلیون، که با قرار دادن ۶ صفر در جلوی یک به دست میآید. توان با نمای ده بیشتر در علم فیزیک برای نشان دادن اعداد بسیار بزرگ یا بسیار کوچک به صورت نماد علمی کاربرد دارد؛ نمونه را، ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ (سرعت نور با یکای متر بر ثانیه) را میتوان به صورت ۲٫۹۹۷۹۲۴۵۸ × 108 نوشت و به صورت تخمینی به شکل ۲٫۹۹۸ × 108. پیشوندهای سیستم متریک هم برای نشان دادن اعداد بزرگ و کوچک استفاده میشوند و اصل اینها هم بر توان ۱۰ استوار است. نمونه را پیشوند کیلو یعنی 103 = ۱۰۰۰، پس یک کیلومتر برابر ۱۰۰۰ متر است.
توانهای عدد دو
ویرایشتوانهای عدد دو نقش بسیار مهمی در علم رایانه دارند چون در کامپیوتر مقادیر را میتوان برای یک متغیر هر عدد بیتی درنظر گرفت.
توانهای منفی دو هم استفاده میشوند، و به دو توان اول نصف و ربع میگویند.
توانهای عدد صفر (۰)
ویرایشاگر توان صفر مثبت باشد، حاصل عبارت برابر خود صفر است:.
اگر توان صفر منفی باشد، حاصل عبارت تعریف نشدهاست، زیرا تقسیم بر صفر وجود ندارد.
اگر توان یک عدد صفر باشد، حاصل عبارت برابر یک است:.
(بعضی از نویسندگان میگویند که تعریف نشدهاست)
توانهای منفی یک
ویرایشتوانهای منفیِ یک بیشتر در دنبالههای تناوبی کاربرد دارد.
اگر نمای عددِ منفیِ یک، فرد باشد، حاصل آن برابر خودش است:
اگر نمای عددِ منفیِ یک، زوج باشد، حاصل آن برابر یک است:
توانهای
ویرایشتوانهای در دنبالههای با دورهٔ ۴ کاربرد دارند.
در مختصات قرارگرفته شود و اگر شیب خط برابر صفر باشد یا نیمخط متقارن یا تابع درجه اول باشد توان عدد شیب خط ریشهگیری شود و اگر توان رادیکالی باشد فرجه۲درنظرگرفته شود
توانهایEعدد eEحد دنبالهای با توان صحیح است
ویرایش.
و تقریباً داریم:
.
یک توان صحیح غیر صفر e برابر است با:
x میتواند عددی مانند صفر، کسر، عدد مرکب، یا یک ماتریس مربع باشد.
توانهای اعداد حقیقی مثبت
ویرایشبه توان رساندن عددی حقیقی مثبت به توان یک عدد غیرصحیح را میتوان به چند صورت به دست آورد:
- عددی کسری تعریف کنیم و ریشه nام را به دست بیاوریم. این روشی است که در مدرسهها از آن استفاده میکنند.
- لگاریتم طبیعی تعریف کنیم و سطح زیر نمودار 1/x را به دست بیاوریم.
توانهای کسری
ویرایشدر یک توان، با معکوس کردن نما ریشه آن بهدست میآید. اگر عدد حقیقی مثبت و n عددی صحیح مثبتی باشد، داریم:
و ریشه nام نامیده میشود:
برای مثال: 81/3 = ۲. حالا میتوانیم توان را به صورت زیر تعریف کنیم:
aبه توان n/m مساوی است با ریشهٔ a بافرجهm به توان
برای مثال: 82/3 = ۴.
توانهای مرکب اعداد مرکب
ویرایشخلاصه
ویرایشتوانهای صحیح اعداد مرکب به صورت بازگشتی تعریف میشود:
z0 = 1 zn+1 = z·zn z−n = 1/zn (برای z ≠ 0)
توانهای مرکب عدد e به صورت زیر تعریف میشود:
و توان مرکب یک عدد مرکب برابر است با:
az = ebz
اگر:
a = eb
مثلثات
ویرایشتوانهای مبهم یک تابع مثلثاتی سینوس و کسینوس برابر است با:
مانند:
معادله لگاریتم
ویرایشعدد حقیقی مثبت π وجود دارد که با استفاده از آن میتوان معادله ez = ۱ را به صورت z = ۲πi·n حل نمود.
حالت قطبی
ویرایشهر عدد مرکب به شکل را میتوان به این صورت نوشت:
برای یک مقدار حقیقی مثبت و یک کمان میتوانیم از فرمول اویلر برای استفاده کنیم:
حال میتوانیم یک بار دیگر از فرمول اویلر استفاده کنیم، در این صورت به جای e مینویسیم: . در نتیجه داریم:
حال اگر از استفاده کنیم میتوانیم بنویسیم:
مثال
ویرایش
این مقدار اصلی اما میتوانیم برای هر عدد صحیح n آن را به صورت بنویسیم، که نتیجه به صورت زیر است:
جدول توان
ویرایشجدول kn، k در سمت چپ و n در بالای جدول است.
n | ||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |||
k^ | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
2 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 256 | 512 | 1.024 | 2 | |
3 | 3 | 9 | 27 | 81 | 243 | 729 | 2.187 | 6.561 | 19.683 | 59.049 | 3 | |
4 | 4 | 16 | 64 | 256 | 1.024 | 4.096 | 16.384 | 65.536 | 262.144 | 1.048.576 | 4 | |
5 | 5 | 25 | 125 | 625 | 3.125 | 390٬625 | 78.125 | 78.125 | 1.953.125 | 9.765.625 | 5 | |
6 | 6 | 36 | 216 | 1.296 | 7.776 | 46.656 | 279.936 | 1.679.616 | 10.077.696 | 60.466.176 | 6 | |
7 | 7 | 49 | 343 | 2.401 | 16.807 | 117.649 | 823.543 | 5.764.801 | 40.353.607 | 282.475.249 | 7 | |
8 | 8 | 64 | 512 | 4.096 | 32.768 | 262.144 | 2.097.152 | 16.777.216 | 134.217.728 | 1.073.741.824 | 8 | |
9 | 9 | 81 | 729 | 6.561 | 59.049 | 531.441 | 4.782.969 | 43.046.721 | 387.420.489 | 3.486.784.401 | 9 | |
10 | 10 | 100 | 1.000 | 10.000 | 100.000 | 1.000.000 | 10.000.000 | 100.000.000 | 1.000.000.000 | 10.000.000.000 | 10 | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |||
n |
ضرب اعداد توان دار
ویرایش۲ حالت ممکن است برای ضرب اعداد توان دار رخ دهد:
- پایهها برابر
- توانها برابر
پایهها برابر
ویرایشبرای اینکار یکی از پایهها را نوشته و توانها را جمع میکنیم:
توانها برابر
ویرایشبرای اینکار یکی از توانها را نوشته و پایهها را در هم ضرب میکنیم.
تقسیم اعداد توان دار
ویرایش۲ حالت ممکن است برای تقسیم اعداد توان دار رخ دهد:
- پایهها برابر
- توانها برابر
پایهها برابر
ویرایشبرای اینکار یکی از پایهها را نوشته و توانها را کم میکنیم:
توانها برابر
ویرایشبرای اینکار یکی از توانها را نوشته و پایهها را برهم تقسیم میکنیم.
جذر گرفتن از اعداد تواندار
ویرایشبرای محاسبه جذر اعداد تواندار مثل کافی است توان را بر فرجه تقسیم کنیم.
۲/۱۲
نماد علمی
ویرایشنماد علمی، روشیست برای نوشتن اعدادی که خیلی بزرگ یا خیلی کوچکند و نمیتوان به سادگی آنها را در نماد دهدهی نوشت. این نماد به صورت دیجیتال معمولاً با e نمایش داده میشود. استفاده از نماد علمی در ماشینحسابهای علمی و توسط دانشمندان، ریاضیدانان، متخصصین سلامت و مهندسان رایج است.
جستارهای وابسته
ویرایشمنابع
ویرایش- ↑ «نما» [ریاضی] همارزِ «exponent»؛ منبع: گروه واژهگزینی. جواد میرشکاری، ویراستار. دفتر پنجم. فرهنگ واژههای مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۷۵۳۱-۷۶-۴ (ذیل سرواژهٔ نما1)
پیوند به بیرون
ویرایشعملیات دوتایی | ||||
---|---|---|---|---|
عددی | تابعی | مجموعهای | ساختاری | |
مقدماتی
+ جمع حسابی
div خارج قسمت اقلیدسی ترکیباتی
() ضریب دوجملهای |
∘ ترکیب ∗ کانولوشن |
جبر مجموعهها
∪ اجتماع ترتیب کلی
توریها
|
مجموعهها
× ضرب دکارتی گروهها
⊕ حاصلجمع مستقیم مدولها
⊗ ضرب تانسوری |
درختها
واریتههای متصل
# جمع متصل فضاهای نقطهدار
∨ bouquet |
بُرداری | ||||
(.) ضرب اسکالر ∧ ضرب برداری | ||||
جبری | ||||
[,] کروشه لی {,} کروشه پواسون ∧ ضرب خارجی | ||||
هومولوژی | ||||
∪ cup-produit • حاصلضرب اشتراک |
ترتیبی | |||
+ الحاق | ||||
منطق بولی | ||||
∧ عطف منطقی | ∨ فصل منطقی | ⊕ یای انحصاری | ⇒ استلزام منطقی | ⇔ اگر و فقط اگر |