Формулы степеней и корней

Почему нужны два определения?

Внимательный читатель уже наверняка заметил, что все квадратные корни, приведённые в примерах, извлекаются из положительных чисел. Ну, в крайнем случае из нуля. А вот кубические корни невозмутимо извлекаются абсолютно из любого числа — хоть положительного, хоть отрицательного.

Почему так происходит? Взгляните на график функции $y={{x}^{2}}$:

График квадратичной функции даёт два корня: положительный и отрицательный

Попробуем с помощью этого графика посчитать $\sqrt{4}$. Для этого на графике проведена горизонтальная линия $y=4$ (отмечена красным цветом), которая пересекается с параболой в двух точках:${{x}_{1}}=2$ и ${{x}_{2}}=-2$. Это вполне логично, поскольку

\

С первым числом всё понятно — оно положительное, поэтому оно и есть корень:

\

Но что тогда делать со второй точкой? Типа у четвёрки сразу два корня? Ведь если возвести в квадрат число −2, мы тоже получим 4. Почему бы тогда не записать$\sqrt{4}=-2$? И почему учителя смотрят на подобные записи так, как будто хотят вас сожрать?:)

В том-то и беда, что если не накладывать никаких дополнительных условий, то квадратных корней у четвёрки будет два — положительный и отрицательный. И у любого положительного числа их тоже будет два. А вот у отрицательных чисел корней вообще не будет — это видно всё по тому же графику, поскольку парабола нигде не опускается ниже оси y, т.е. не принимает отрицательных значений.

Подобная проблема возникает у всех корней с чётным показателем:

  1. Строго говоря, корней с чётным показателем $n$ у каждого положительного числа будет сразу две штуки;
  2. Из отрицательных чисел корень с чётным $n$ вообще не извлекается.

Именно поэтому в определении корня чётной степени $n$ специально оговаривается, что ответ должен быть неотрицательным числом. Так мы избавляемся от неоднозначности.

Зато для нечётных $n$ такой проблемы нет. Чтобы убедиться в этом, давайте взглянем на график функции $y={{x}^{3}}$:

Кубическая парабола принимает любые значения, поэтому кубический корень извлекается из любого числа

Из этого графика можно сделать два вывода:

  1. Ветви кубической параболы, в отличие от обычной, уходят на бесконечность в обе стороны — и вверх, и вниз. Поэтому на какой бы высоте мы ни проводили горизонтальную прямую, эта прямая обязательно пересечётся с нашим графиком. Следовательно, кубический корень можно извлечь всегда, абсолютно из любого числа;
  2. Кроме того, такое пересечение всегда будет единственным, поэтому не нужно думать, какое число считать «правильным» корнем, а на какое — забить. Именно поэтому определение корней для нечётной степени проще, чем для чётной (отсутствует требование неотрицательности).

Жаль, что эти простые вещи не объясняют в большинстве учебников. Вместо этого нам начинают парить мозг всякими арифметическими корнями и их свойствами.

Да, я не спорю: что такое арифметический корень — тоже надо знать. И я подробно расскажу об этом в отдельном уроке. Сегодня мы тоже поговорим о нём, поскольку без него все размышления о корнях $n$-й кратности были бы неполными.

Но сначала надо чётко усвоить то определение, которое я дал выше. Иначе из-за обилия терминов в голове начнётся такая каша, что в итоге вообще ничего не поймёте.

А всего-то и нужно понять разницу между чётными и нечётными показателями. Поэтому ещё раз соберём всё, что действительно нужно знать о корнях:

Разве это сложно? Нет, не сложно. Понятно? Да вообще очевидно! Поэтому сейчас мы немного потренируемся с вычислениями.

Корень n-ной степени

Ключевые слова: степень, основание степени, показатель степени, радикал, квадратный корень

Пусть $$a \ge 0$$
и $$n \in N, n \ne 1$$.
Тогда существует единственное неотрицательное число

x
такое, что выполняется равенство $$x^{n}=a$$.

Это число называется

арифметическим корнем

n-ной степени
из неотрицательного числа и обозначается $$\root n \of {a}$$.

При этом число
a
называется
подкоренным числом , а число
n

показателем корня.
Вместо слова «корень» часто говорят

радикал
.
Если
n
= 2, то обычно пишут просто: $$\sqrt{a}$$.

При
n
= 2 арифметический корень называется
квадратным корнем,
при
n
= 3 говорят о
кубическом корне .

Итак, по определению:
$$\left\{ \begin{array}{l} x = \sqrt{a}, \\ a \ge 0. \\ \end{array} \right.\; \Leftrightarrow \;\left\{ \begin{array}{l}
x^n = a, \\ x \ge 0. \end{array} \right.$$. Отсюда следует, что $$(\root n \of {a})^{n}= a$$.

Действия
с корнями

  • Величина корня не изменится, если его
    показатель увеличить в n раз и одновременно возвести подкоренное значение в
    степень n.
  • Величина корня не изменится, если показатель
    степени уменьшить в n раз и одновременно извлечь корень n-й степени из
    подкоренного значения.

  • Корень из произведения нескольких сомножителей равен
    произведению корней той же степени из этих сомножителей.
  • Обратно, произведение корней одной и той же
    степени равно корню той же степени из произведения подкоренных значений.
  • Корень от частного равен частному от деления корня из делимого
    на корень из делителя (показатели корней должны быть одинаковыми).
  • Чтобы возвести корень в степень, достаточно возвести в эту
    степень подкоренное значение.
  • Обратно, чтобы извлечь корень из степени,
    достаточно возвести в эту степень корень из основания степени.

Свойства. При $$k, n \in N, n \ne 1, k \ne 1$$
справедливы следующие свойства корней.

  • $$\root n \of {a \cdot b} = \root n \of {a} \cdot \root n \of {b}$$;
  • $$(\root n \of {a})^{k}= \root n \of {a^{k}}$$;
  • $$\root n \of {\root m \of {a}}= \root n \cdot m \of {a}$$;
  • $$\root n \cdot m \of {a^{m \cdot k}}= \root n \of {a^{k}}$$

Если

a

x , при котором бы выполнялось равенство $$x^{n}=a$$.
Следовательно, невозможно ввести понятие корня четной степени из
отрицательного числа. Однако определить понятие корня нечётной степени
из отрицательного числа всё же возможно. В самом деле, пусть
a

а

n
— нечётное число, тогда существует единственное число

x
такое, что $$x^{n}=a$$.
Это число и называется

корнем нечетной степени из отрицательного числа . Оно обозначается точно так же: $$\root n \of {a}$$.
Например, $$\root 3 \of {-8}= — 2$$
так как (-2)3= -8.
Для нечетных показателей степени свойства, справедливые для
неотрицательных значений подкоренных выражений, верны также и для
отрицательных значений подкоренных выражений.

См. также:

Степенная функция,
Арифметический квадратный корень,
Логарифм

Как вычислить корень n-ой степени?

Чтобы вычислить корень \(n\)-ой степени, надо задать себе вопрос: какое число в \(n\)-ой степени, даст выражение под корнем?

Например. Вычислите корень \(n\)-ой степени: а)\(\sqrt{16}\); б) \(\sqrt{-64}\); в) \(\sqrt{0,00001}\); г)\(\sqrt{8000}\); д) \(\sqrt{\frac{1}{81}}\).

а) Какое число в \(4\)-ой степени, даст \(16\)? Очевидно, \(2\). Поэтому:

\(\sqrt{16}=2\)

б) Какое число в \(3\)-ей степени, даст \(-64\)?

\(\sqrt{-64}=-4\)

в) Какое число в \(5\)-ой степени, даст \(0,00001\)?

\(\sqrt{0,00001}=0,1\)

г) Какое число в \(3\)-ей степени, даст \(8000\)?

\(\sqrt{8000}=20\)

д) Какое число в \(4\)-ой степени, даст \(\frac{1}{81}\)?

\(\sqrt{\frac{1}{81}}=\frac{1}{3}\)

Мы рассмотрели самые простые примеры с корнем \(n\)-ой степени. Для решения более сложных задач с корнями \(n\)-ой степени – жизненно необходимо знать их свойства.

Пример.  Вычислите:

\(\sqrt 3\cdot \sqrt{-3} \cdot \sqrt{27} \cdot \sqrt{9} -\) \(\frac{\sqrt{-64}}{\sqrt{2}}\)\(=\)

В данный момент ни один из корней нельзя вычислить. Поэтому применим свойства корня \(n\)-ой степени и преобразуем выражение.\(\frac{\sqrt{-64}}{\sqrt{2}}\)\(=\)\(\sqrt{\frac{-64}{2}}\)\(=\)\(\sqrt{-32}\)  т.к. \(\frac{\sqrt{a}}{\sqrt{b}}\)\(=\)\(\sqrt{\frac{a}{b}}\)

\(=\sqrt{3}\cdot \sqrt{-3}\cdot \sqrt{27}\cdot \sqrt{9}-\sqrt{-32}=\)

 

Переставим множители в первом слагаемом так, что бы квадратный корень и корень \(n\)-ой степени стояли рядом. Так легче будет применять свойства т.к. большинство свойств корней \(n\)-ой степени работают только с корнями одинаковой степени.
И вычислим корень 5-ой степени.

\(=\sqrt{3} \cdot \sqrt{27} \cdot \sqrt{-3}\cdot \sqrt{9}-(-5)=\)

 

Применим свойство \(\sqrt{a}\cdot \sqrt{b}=\sqrt{a\cdot b}\) и раскроем скобку

\(=\sqrt{81}\cdot \sqrt{-27}+5=\)

 

Вычисли \(\sqrt{81}\) и \(\sqrt{-27}\)

\(=9\cdot(-3)+5 =-27+5=-22\)

Свойства корней: формулировки, доказательства, примеры

Данная статья представляет собой совокупность детальной информации, которая касается темы свойства корней. Рассматривая тему, мы начнем со свойств , изучим все формулировки и приведем доказательства. Для закрепления темы мы рассмотрим свойства  n-ой степени.

Свойства корней

Мы поговорим о свойствах.

  1. Свойство умноженных чисел a и b, которое представляется как равенствоa·b=a·b. Его можно представить в виде множителей, положительных или равных нулю a1, a2, …, ak как a1· a2· …· ak=a1· a2· …· ak;
  2. из частного a:b= a:b,  a≥0, b>0, он также может записываться в таком виде ab=ab;
  3. Свойство из степени числа a с четным показателем a2·m=am при любом числе a, например, свойство из квадрата числа a2=a.

В любом из представленных уравнений можно поменять части до и после знака тире местами, например, равенство a·b=a·b трансформируется как a·b=a·b. Свойства для равенства часто используются для упрощения сложных уравнений.

Доказательство первых свойств основано на определении квадратного корня и свойствах степеней с натуральным показателем. Чтобы обосновать третье свойство, необходимо обратиться к определению модуля числа.

Первым делом, необходимо доказать свойства квадратного корня a·b=a·b. Согласно определению , необходимо рассмотреть, что a·b — число, положительное или равное нулю, которое будет равно a·b при возведениив квадрат.

Значение выражения a·b положительно или равно нулю как произведение неотрицательных чисел. Свойство степени умноженных чисел позволяет представить равенство в виде (a·b)2=a2·b2.

По определению квадратного корня a2=a и b2=b, то a·b2=a2·b2=a·b.

Аналогичным способом можно доказать, что из произведения k множителей a1, a2, …, ak будет равняться произведению квадратных корней из этих множителей. Действительно, a1·a2· …· ak2=a12· a22· …· ak2=a1· a2· …· ak.

Из этого равенства следует, что a1· a2· …· ak=a1· a2· …· ak.

Рассмотрим несколько примеров для закрепления темы.

Пример 1

3·525=3·525, 4,2·1312=4,2·1312 и 2,7·4·1217·0,2(1)=2,7·4·1217·0,2(1).

Необходимо доказать свойство арифметического квадратного корня из частного: a:b=a:b, a≥0, b>0. Свойство позволяет записать равенство a:b2=a2:b2, а a2:b2=a:b, при этом a:b является положительным числом или равно нулю. Данное выражение и станет доказательством.

Например, 0:16=0:16, 80:5=80:5 и 30,121=30,121.

Рассмотрим свойство квадратного корня из квадрата числа. Его можно записать в виде равенствакак a2=aЧтобы доказать данное свойство, необходимо подробно рассмотреть несколько равенств при a≥0 и при a

Понятие и определение квадратного корня из натурального числа

Мы довольно долго не знали, что такое корень n-ой степени из действительного числа, и умели обходиться без этого понятия, но потом появились случаи, в которых обойтись без него уже невозможно.

Рассмотрим несколько простейших примеров.

Пример 1:

Решение:

Способ 1, аналитический. Перенесем все члены в левую часть уравнения так, чтобы справа остался : . Далее разложим на множители: .

Каждый множитель приравниваем к нулю:

Получаем ответ:

Способ 2, графический. Построим кривую  и прямую  (рис. 1). Получим  и  в точках пересечения графиков.

Рис. 1. График уравнений  и

Ответ. , .

Для решения этой задачи нам не потребовалось никаких новых методов.

Пример 2:

Решение:

Способ 1. . Разложим на множители: . Каждый множитель приравниваем к нулю:

Получаем ответ:

Способ 2, графический. Построим график для системы (рис. 2), где первое уравнение – левая часть заданного выражения (), второе – правая ():

Ответами будут точки пересечения графиков, т. е.  и .

Рис. 2. График уравнений  и

Ответ: , .

После решения двух задач нужды в новом слове не обнаружено.

Пример 3: x2=3

Решение:

Способ 1, аналитический. . Пытаемся разложить на множители, но ничего не выходит. Попробуем другой способ.

Способ 2, графический. Построим график для системы (рис. 3), где первое уравнение – левая часть заданного выражения (), второе – правая ():

Рис. 3. График уравнений  и

Видим, что графики пересекаются, а значит, ответы все же есть. Назовем их корень квадратный из 3 и минус корень квадратный из 3:

Ответ: ,

Определение:

Квадратный корень из трех – это иррациональное число, приближенное к десятичной дроби (). Так как , в дальнейшем будем считать его арифметическим корнем.

Теперь нам нужно определить корень n-ой степени из действительного числа.

Рассмотрим еще один пример.

Пример 4: , где ,

Рис. 4. График функций  и

Уравнение имеет 2 корня:   и .

Арифметический корень

Давайте предположим на минутку, что под знаком корня могут находиться лишь положительные числа или в крайнем случае ноль. Забьём на чётные/нечётные показатели, забьём на все определения, приведённые выше — будем работать только с неотрицательными числами. Что тогда?

А тогда мы получим арифметический корень — он частично пересекается с нашими «стандартными» определениями, но всё же отличается от них.

Как видим, нас больше не интересует чётность. Взамен неё появилось новое ограничение: подкоренное выражение теперь всегда неотрицательно, да и сам корень тоже неотрицателен.

Чтобы лучше понять, чем арифметический корень отличается от обычного, взгляните на уже знакомые нам графики квадратной и кубической параболы:

Область поиска арифметического корня — неотрицательные числа

Как видите, отныне нас интересуют лишь те куски графиков, которые расположены в первой координатной четверти — там, где координаты $x$ и $y$ положительны (или хотя бы ноль). Больше не нужно смотреть на показатель, чтобы понять: имеем мы право ставить под корень отрицательное число или нет. Потому что отрицательные числа больше в принципе не рассматриваются.

Возможно, вы спросите: «Ну и зачем нам такое кастрированное определение?» Или: «Почему нельзя обойтись стандартным определением, данным выше?»

Что ж, приведу всего одно свойство, из-за которого новое определение становится целесообразным. Например, правило возведения в степень:

\{a}=\sqrt{{{a}^{k}}}\]

Обратите внимание: мы можем возвести подкоренное выражение в любую степень и одновременно умножить на эту же степень показатель корня — и в результате получится то же самое число! Вот примеры:

\{5}=\sqrt{{{5}^{2}}}=\sqrt{25} \\ & \sqrt{2}=\sqrt{{{2}^{4}}}=\sqrt{16} \\ \end{align}\]

Ну и что в этом такого? Почему мы не могли сделать это раньше? А вот почему. Рассмотрим простое выражение: $\sqrt{-2}$ — это число вполне нормальное в нашем классическом понимании, но абсолютно недопустимо с точки зрения арифметического корня. Попробуем преобразовать его:

$\begin{align} & \sqrt{-2}=-\sqrt{2}=-\sqrt{{{2}^{2}}}=-\sqrt{4} \lt 0; \\ & \sqrt{-2}=\sqrt{{{\left( -2 \right)}^{2}}}=\sqrt{4} \gt 0. \\ \end{align}$

Как видите, в первом случае мы вынесли минус из-под радикала (имеем полное право, т.к. показатель нечётный), а во втором — воспользовались указанной выше формулой. Т.е. с точки зрения математики всё сделано по правилам.

WTF?! Как одно и то же число может быть и положительным, и отрицательным? Никак. Просто формула возведения в степень, которая прекрасно работает для положительных чисел и нуля, начинает выдавать полную ересь в случае с отрицательными числами.

Вот для того, чтобы избавиться от подобной неоднозначности, и придумали арифметические корни. Им посвящён отдельный большой урок, где мы подробно рассматриваем все их свойства. Так что сейчас не будем на них останавливаться — урок и так получился слишком затянутым.

Зачем вообще нужны корни?

Прочитав определение, многие ученики спросят: «Что курили математики, когда это придумывали?» И вправду: зачем вообще нужны все эти корни?

Чтобы ответить на этот вопрос, вернёмся на минутку в начальные классы. Вспомните: в те далёкие времена, когда деревья были зеленее, а пельмени вкуснее, основная наша забота была в том, чтобы правильно умножать числа. Ну, что-нибудь в духе «пять на пять — двадцать пять», вот это вот всё. Но ведь можно умножать числа не парами, а тройками, четвёрками и вообще целыми комплектами:

\

Ну и так далее. Ладно, ладно: последние две строчки я считал на калькуляторе.:)

Однако суть не в этом. Фишка в другом: математики — людишки ленивые, поэтому им было в лом записывать умножение десяти пятёрок вот так:

\

Поэтому они придумали степени. Почему бы вместо длинной строки не записать количество множителей в виде верхнего индекса? Типа вот такого:

\

Это же очень удобно! Все вычисления сокращаются в разы, и можно не тратить кучу листов пергамента блокнотиков на запись какого-нибудь 5183. Такую запись назвали степенью числа, у неё нашли кучу свойств, но счастье оказалось недолгим.

После грандиозной пьянки, которую организовали как раз по поводу «открытия» степеней, какой-то особо упоротый математик вдруг спросил: «А что, если нам известна степень числа, но неизвестно само число?» Вот, действительно, если нам известно, что некое число $b$, допустим, в 5-й степени даёт 243, то как нам догадаться, чему равно само число $b$?

Проблема эта оказалась гораздо более глобальной, чем может показаться на первый взгляд. Потому что выяснилось, что для большинства «готовых» степеней таких «исходных» чисел нет. Судите сами:

\

А, что если ${{b}^{3}}=50$? Получается, что нужно найти некое число, которое будучи трижды умноженное само на себя даст нам 50. Но что это за число? Оно явно больше 3, поскольку 33 = 27 3 = 64 > 50. Т.е. это число лежит где-то между тройкой и четвёркой, но чему оно равно — фиг поймёшь.

Именно для этого математики и придумали корни $n$-й степени. Именно для этого ввели значок радикала $\sqrt{*}$. Чтобы обозначить то самое число $b$, которое в указанной степени даст нам заранее известную величину

\{a}=b\Rightarrow {{b}^{n}}=a\]

Не спорю: зачастую эти корни легко считаются — мы видели несколько таких примеров выше. Но всё-таки в большинстве случаев, если вы загадаете произвольное число, а затем попробуете извлечь из него корень произвольной степени, вас ждёт жестокий облом.

Да что там! Даже самый простой и всем знакомый $\sqrt{2}$ нельзя представить в привычном нам виде — как целое число или дробушка. А если вы вобьёте это число в калькулятор, то увидите вот это:

\

Как видите, после запятой идёт бесконечная последовательность цифр, которые не подчиняются никакой логике. Можно, конечно, округлить это число, чтобы быстро сравнить с другими числами. Например:

\

Или вот ещё пример:

\

Но все эти округления, во-первых, довольно грубые; а во-вторых, работать с примерными значениями тоже надо уметь, иначе можно словить кучу неочевидных ошибок (кстати, навык сравнения и округления в обязательном порядке проверяют на профильном ЕГЭ).

Поэтому в серьёзной математике без корней не обойтись — они являются такими же равноправными представителями множества всех действительных чисел $\mathbb{R}$, как и давно знакомые нам дроби и целые числа.

Рассмотрим несколько примеров, где после всех вычислений иррациональные числа всё же останутся в ответе.

Естественно, по внешнему виду корня практически невозможно догадаться о том, какие числа будут идти после запятой. Впрочем, можно, посчитать на калькуляторе, но даже самый совершенный калькулятор дат нам лишь несколько первых цифр иррационального числа. Поэтому гораздо правильнее записать ответы в виде $\sqrt{5}$ и $\sqrt{-2}$.

Именно для этого их и придумали. Чтобы удобно записывать ответы.

Ссылка на основную публикацию