توان (ریاضی)

نمودار $y=b^x$ به ازای پایه‌های مختلف $b$: الگو:Nobr الگو:Nobr الگو:Nobr الگو:Nobr تمام منحنی‌ها از نقطه الگو:Math می‌گذرند، زیرا حاصل هر عدد غیر صفر به توان ۰ برابر با ۱ است. همچنین در $x=1$ مقدار $y$ در هر منحنی معادل پایه است، زیرا حاصل هر عدد به توان ۱ برابر با خود آن عدد خواهد بود.

توان یک عملیات ریاضی است که به صورت $b^n$ نوشته می‌شود. این عملیات به صورت $b$ به توان $n$ خوانده می‌شود و در آن $b$ به‌عنوان پایه و $n$ به عنوان توان، نِما یا قوه (کاربرد قدیمی) شناخته می‌شوند. هنگامی که $n$ یک عدد صحیح مثبت باشد، عملیات توان معادل $n$ بار ضرب $b$ در خود است: الگو:چپ‌چین

$b^n=\underset{n}{\underbrace{b\times \cdots \times b}}$

الگو:پایان چپ‌چین به این ترتیب $b^1=b$ و برای هر دو عدد صحیح مثبت $m$ و $n$ می‌توان نوشت $b^n\cdot b^m=b^{n+m}$. همچنین با بسط تعریف عملیات به توان‌های صحیح غیرمثبت، $b^0$ معادل $1$ تعریف می‌شود و $b^{-n}$ ($n$ مثبت و $b$ غیر صفر) معادل $\frac{1}{b^n}$ خواهد بود. به‌طور خاص $b^{-1}$ معادل $\frac{1}{b}$ یا وارون ضربی $b$ 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

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.

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

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.

الگو:چپ‌چین a¹ = a الگو:پایان چپ‌چین

• هر عدد به توان صفر برابر با یک است.

الگو:چپ‌چین a⁰ = 1 الگو:پایان چپ‌چین (برخی نویسندگان 0⁰ را تعریف نشده می‌خوانند) برای مثال: a⁰= a^2-2= a²/a² = ۱ (در صورتی که a ≠ ۰)

نماهای صحیح منفی

اگر عددی غیرمنفی را به توان ۱- برسانیم، حاصل برابر معکوس آن عدد است. الگو:چپ‌چین a⁻¹ = 1/a الگو:پایان چپ‌چین در نتیجه: الگو:چپ‌چین a⁻ⁿ = (aⁿ)⁻¹ = 1/aⁿ الگو:پایان چپ‌چین اگر صفر را به توان عددی منفی برسانیم، حاصل در مخرجش 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: الگو:چپ‌چین $a^{m+n}=a^m\cdot a^n$ الگو:پایان چپ‌چین که از آن می‌توان عبارات زیر را نتیجه گرفت: الگو:چپ‌چین $a^{m-n}=\begin{array}{c}\frac{a^m}{a^n}\end{array}$

$(a^m{)}^n=a^{mn}$ الگو:پایان چپ‌چین 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 $2^n$ 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:$0=0^2$.

اگر توان صفر منفی باشد، حاصل عبارت $0^{-n}$ تعریف نشده‌است، زیرا تقسیم بر صفر وجود ندارد.

اگر توان یک عدد صفر باشد، حاصل عبارت برابر یک است:$1=1^0$.

(بعضی از نویسندگان می‌گویند که $0^0$ 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: ${(-1)}^{2n+1}=-1$

اگر نمای عددِ منفیِ یک، زوج باشد، حاصل آن برابر یک است: ${(-1)}^{2n}=1$

توان‌های $i$

توان‌های $i$ در دنباله‌های با دورهٔ ۴ کاربرد دارند. الگو:چپ‌چین $i^{4n+1}=i$

$i^{4n+2}=-1$

$i^{4n+3}=-i$

$i^{4n}=1$

الگو:پایان چپ‌چین 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

الگو:چپ‌چین $e=\underset{n\to +\mathrm{\infty }}{\lim }{(1+\frac{1}{n})}^n=\underset{n\to -\mathrm{\infty }}{\lim }{(1+\frac{1}{n})}^n$. الگو:پایان چپ‌چین و تقریباً داریم: الگو:چپ‌چین $e\approx 2.71828$. الگو:پایان چپ‌چین یک توان صحیح غیر صفر e برابر است با: الگو:چپ‌چین $e^x={\left(\underset{m\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }{(1+\frac{1}{m})}^m\right)}^x=\underset{m\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }{\left({(1+\frac{1}{m})}^m\right)}^x=\underset{m\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }{(1+\frac{1}{m})}^{mx}=\underset{mx\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }{(1+\frac{x}{mx})}^{mx}=\underset{n\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }{(1+\frac{x}{n})}^n$ الگو:پایان چپ‌چین 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: x^1/8, x^1/4, x^1/2, x¹, x², x⁴, x⁸.

در یک توان، با معکوس کردن نما ریشه آن به‌دست می‌آید. اگر $a$ عدد حقیقی مثبت و n عددی صحیح مثبتی باشد، داریم: الگو:چپ‌چین $x^n=a$ الگو:پایان چپ‌چین و ریشه nام $a$ نامیده می‌شود: الگو:چپ‌چین $x=a^{\frac{1}{n}}$ الگو:پایان چپ‌چین برای مثال: 8^1/3 = ۲. حالا می‌توانیم توان $m/n$ را به صورت زیر تعریف کنیم:

aبه توان n/m مساوی است با ریشهٔ a بافرجهm به توان

برای مثال: 8^2/3 = ۴.

توان‌های مرکب اعداد مرکب

خلاصه

توان‌های صحیح اعداد مرکب به صورت بازگشتی تعریف می‌شود: الگو:چپ‌چین z⁰ = 1 zⁿ⁺¹ = z·zⁿ z⁻ⁿ = 1/zⁿ (برای z ≠ 0) الگو:پایان چپ‌چین توان‌های مرکب عدد e به صورت زیر تعریف می‌شود: الگو:چپ‌چین $e^z=\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }{(1+\frac{z}{n})}^n$ الگو:پایان چپ‌چین و توان مرکب یک عدد مرکب برابر است با: الگو:چپ‌چین a^z = e^bz الگو:پایان چپ‌چین اگر: الگو:چپ‌چین a = e^b الگو:پایان چپ‌چین

مثلثات

توان‌های مبهم یک تابع مثلثاتی سینوس و کسینوس برابر است با: الگو:چپ‌چین $e^{ix}=\cos (x)+i\sin (x)$ $e^{-ix}=\cos (x)-i\sin (x)$ الگو:پایان چپ‌چین مانند: الگو:چپ‌چین $\cos (x)=(e^{ix}+e^{-ix})/2$ $\sin (x)=(e^{ix}-e^{-ix})/2i$ الگو:پایان چپ‌چین

معادله لگاریتم

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

حالت قطبی

هر عدد مرکب به شکل $a+ib$ را می‌توان به این صورت نوشت: الگو:چپ‌چین $a+ib=r{e}^{i\phi }=r[\cos \phi +i\sin \phi ]$ الگو:پایان چپ‌چین برای یک مقدار حقیقی مثبت $r$ و یک کمان $\phi$ می‌توانیم از فرمول اویلر برای $e^{i\phi }$ استفاده کنیم: الگو:چپ‌چین $(a+ib{)}^x={\left(r{e}^{i\phi }\right)}^x=r^x{e}^{i\phi x}.$ الگو:پایان چپ‌چین حال می‌توانیم یک بار دیگر از فرمول اویلر استفاده کنیم، در این صورت به جای e می‌نویسیم: $e^{id}=\cos d+i\sin d$. در نتیجه داریم: الگو:چپ‌چین $r^{id}={[(r{)}^d]}^i={\left[{\left(e^{\ln r}\right)}^d\right]}^i=e^{id\ln r}=\cos (d\ln r)+i\sin (d\ln r).$ الگو:پایان چپ‌چین حال اگر از $r=e^{\ln r}$ استفاده کنیم می‌توانیم بنویسیم: الگو:چپ‌چین $(a+ib{)}^{c+id}={\left(r{e}^{i\phi }\right)}^{c+id}=\left[r^c{e}^{-\phi d}\right]e^{i(\phi c+d\ln r)}$ الگو:پایان چپ‌چین

مثال

الگو:چپ‌چین $i^i=(e^{i\pi /2}{)}^i=e^{-\pi /2}\approx 0.20788\dots$ الگو:پایان چپ‌چین این مقدار اصلی $i^i$ اما می‌توانیم برای هر عدد صحیح n آن را به صورت $i=e^{i\pi /2+2\pi i\cdot n}$ بنویسیم، که نتیجه به صورت زیر است: الگو:چپ‌چین $i^i=(e^{i\pi /2+2\pi i\cdot n}{)}^i=e^{-\pi /2-2\pi \cdot n}$ الگو:پایان چپ‌چین

جدول توان

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

		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

۲ 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:

$a^m\times a^n=a^{m+n}$

توان‌ها برابر

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

$a^m\times b^m=(a\times b{)}^m$

تقسیم اعداد توان دار

۲ 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:

$a^m÷a^n=a^{m-n}$

توان‌ها برابر

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

$a^m÷b^m=(\frac{a}{b}{)}^m$

جذر گرفتن از اعداد توان‌دار

برای محاسبه جذر اعداد توان‌دار مثل $x^c$ کافی است توان $c$ را بر فرجه تقسیم کنیم.

$\sqrt[a]{x^c}=x^{\frac{c}{a}}$۲/۱۲

نماد علمی

نماد 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

مبحث ضرب اعداد توان‌دار

منابع

• ویکی‌پدیای انگلیسی

پیوند به بیرون

• sci.math FAQ: What is 0⁰?
• Laws of Exponents
• 1058 Powers of Two