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، نما یا قوه شناخته می‌شوند. هنگامی که یک عدد صحیح مثبت باشد، عملیات توان معادل بار ضرب در خود است:

نمودار به ازای پایه‌های مختلف :   پایهٔ ۱۰،   پایهٔ عدد اویلر،   پایهٔ ۲،   پایهٔ ۰٫۵. تمام منحنی‌ها از نقطه (0, 1) می‌گذرند، زیرا حاصل هر عدد غیر صفر به توان ۰ برابر با ۱ است. همچنین در مقدار در هر منحنی معادل پایه است، زیرا حاصل هر عدد به توان ۱ برابر با خود آن عدد خواهد بود.

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. به طور 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.

توان با نماهای صحیح

عمل توان با نماهای صحیح تنها نیازمند جبر پایه‌است.

نماهای صحیح مثبت

ساده‌ترین 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.

به طور قراردادی، a2 = a×a را مربع، a3 = a×a×a را مکعب می‌نامیم. مثلا 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.

نماهای صفر و یک

35 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 یک است.

a0 = 1

(برخی نویسندگان 00 را تعریف نشده می‌خوانند) برای مثال: a0= a2-2= a2/a2 = ۱ (در صورتی که a ≠ ۰)

در این انمیشن کوتاه می بینید که چرا عدد به توان صفر برابر یک خواهد شد. به روند ارایه شده دقت بفرمایید.

نماهای صحیح منفی

اگر عددی غیرمنفی را به توان ۱- برسانیم، حاصل برابر معکوس آن عدد است.

a−1 = 1/a

در نتیجه:

an = (an)−1 = 1/an

اگر صفر را به توان عددی منفی برسانیم، حاصل در مخرج 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

مهم‌ترین 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

در 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

توان‌های 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)

اگر 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

توان‌های 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

توان‌های در دنباله‌های با دورهٔ ۴ کاربرد دارند.

توان‌هایEعدد eEحد دنباله‌ای با توان صحیح است

.

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

به 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

از بالا به پائین: x1/8, x1/4, x1/2, x1, x2, x4, x8.

در یک توان، با معکوس کردن نما ریشه آن بدست 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 ریشه ی a بافرجهm به توان

برای مثال: 82/3 = ۴.

توان‌های مرکب اعداد مرکب

خلاصه

توان‌های صحیح اعداد مرکب به صورت بازگستی تعریف می‌شود:

z0 = 1 zn+1 = z·zn zn = 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

توان‌های مبهم یک تابع مثلثاتی سینوس و کسینوس برابر است با:

مانند:

معادله لگاریتم

عدد حقیقی مثبت π وجود دارد که با استفاده از آن می‌توان معادله ez = ۱ را به صورت z = ۲πi·n حل نمود.

حالت قطبی

هر 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

این مقدار اصلی اما می‌توانیم برای هر عدد صحیح n آن را به صورت بنویسیم، که نتیجه به صورت زیر است:

جدول توان

جدول kn، k در سمت چپ و n در بالای جدول است.

n
12345678910
k^ 111111111111
22481632641282565121.0242
33927812437292.1876.56119.68359.0493
4416642561.0244.09616.38465.536262.1441.048.5764
55251256253.12515.62578.12578.1251.953.1259.765.6255
66362161.2967.77646.656279.9361.679.61610.077.69660.466.1766
77493432.40116.807117.649823.5435.764.80140.353.607282.475.2497
88645124.09632.768262.1442.097.15216.777.216134.217.7281.073.741.8248
99817296.56159.049531.4414.782.96943.046.721387.420.4893.486.784.4019
10101001.00010.000100.0001.000.00010.000.000100.000.0001.000.000.00010.000.000.00010
12345678910
n

ضرب اعداد توان دار

2 حالت ممکن است برای ضرب اعداد توان دار رخ دهد:

  1. پایه‌ها برابر
  2. توان‌ها برابر

پایه‌ها برابر

برای اینکار یکی از پایه‌ها را نوشته و توان‌ها را جمع می‌کنیم:

توان‌ها برابر

برای اینکار یکی از توان‌ها را نوشته و پایه‌ها را در هم ضرب می‌کنیم.

تقسیم اعداد توان دار

2 حالت ممکن است برای تقسیم اعداد توان دار رخ دهد:

  1. پایه‌ها برابر
  2. توان‌ها برابر

پایه‌ها برابر

برای اینکار یکی از پایه‌ها را نوشته و توان‌ها را کم می‌کنیم:

توان‌ها برابر

برای اینکار یکی از توان‌ها را نوشته و پایه‌ها را بر هم تقسیم می‌کنیم.

جذر گرفتن از اعداد توان‌دار

برای محاسبه جذر اعداد توان‌دار مثل کافی است توان را بر فرجه تقسیم کنیم.

پانوشت

مبحث ضرب اعداد توان‌دار «سیده فاطمه موسوی نطنزی»

منابع

    پیوند به بیرون

    در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ توان (ریاضی) موجود است.
    عملیات دوتایی
    عددی تابعی مجموعه‌ای ساختاری
    مقدماتی

    + جمع
    تفریق
    × ضرب
    ÷ تقسیم
    ^ توان

    حسابی

    div خارج قسمت اقلیدسی
    mod باقی‌مانده اقلیدسی
    بزرگ‌ترین مقسوم‌علیه مشترک
    کوچک‌ترین مضرب مشترک

    ترکیباتی

    () ضریب دوجمله‌ای
    P جایگشت
    C ترکیب

    ترکیب
    کانولوشن
    جبر مجموعه‌ها

    اجتماع
    \ متمم نسبی
    اشتراک
    Δ تفاضل متقارن

    ترتیب کلی

    min کمینه
    max بیشینه

    توری‌ها

    کرانه تحتانی
    کرانه فوقانی

    مجموعه‌ها

    × ضرب دکارتی
    اجتماع منفصل
    ^ توان مجموعه‌ای

    گروه‌ها

    حاصل‌جمع مستقیم
    حاصل‌ضرب آزاد
    produit en couronne

    مدول‌ها

    ضرب تانسوری
    Hom هومومورفیزم
    Tor پیچش
    Ext extensions

    درخت‌ها

    enracinement

    واریته‌های متصل

    # جمع متصل

    فضاهای نقطه‌دار

    bouquet
    smash produit
    joint

    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
    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.