گاما رو نصب کن!

{{ number }}
اعلان ها
اعلان جدیدی وجود ندارد!
کاربر جدید

جستجو

پربازدیدها: #{{ tag.title }}

میتونی لایو بذاری!

قانون جمع توان‌های گویا: برای r و s گویا و a>0، a^(r+s)=a^r × a^s

بروزرسانی شده در: 21:21 1404/11/29 مشاهده: 8     دسته بندی: کپسول آموزشی

قانون جمع توان‌های گویا: پلی بین جبر و حساب

آشنایی با قاعده ar+s = ar · as برای توان‌های گویا و کاربردهای آن در ساده‌سازی عبارات و حل معادلات
خلاصه: در این مقاله با قانون جمع توان‌های گویا آشنا می‌شویم. این قانون که یکی از پایه‌های اصلی جبر است، بیان می‌دارد که برای هر پایه‌ی مثبت a و هر دو عدد گویای r و s، حاصل‌ضرب دو توان با پایه یکسان، برابر با توانی از آن پایه با نماهای جمع‌شده است. با بررسی تعریف توان‌های گویا1، اثبات این قانون و مثال‌های متنوع، درک عمیقی از آن به دست می‌آوریم. همچنین کاربرد این قانون در ساده‌سازی عبارت‌های جبری، حل مسائل علمی و غلبه بر چالش‌های رایج را بررسی خواهیم کرد.

۱. مفهوم توان گویا و ریشه‌های عددی

برای درک قانون جمع توان‌ها، ابتدا باید بدانیم یک عدد گویا به عنوان نما چه معنایی دارد. اگر r یک عدد گویا به صورت m/n (با n مثبت) باشد، آن‌گاه:

$a^{m/n} = \sqrt[n]{a^m} = (\sqrt[n]{a})^m$

به عبارت دیگر، am/n یعنی «ریشه‌ی nام a را به توان m برسان» یا «a را به توان m برسان و سپس ریشه‌ی nام آن را محاسبه کن». شرط a > 0 تضمین می‌کند که ریشه‌گیری برای تمام اعداد گویا تعریف شده و یکتاست.

۲. اثبات قانون ar+s = ar · as

فرض کنید r = p/q و s = u/v دو عدد گویا باشند. برای اثبات، آنها را به یک مخرج مشترک تبدیل می‌کنیم. ساده‌ترین حالت وقتی است که مخرج‌ها یکسان باشند. در حالت کلی، می‌توان از خواص رادیکال‌ها و توان‌های صحیح استفاده کرد. اثبات اصلی بر این اصل استوار است که توان گویا، توان صحیح را با ریشه‌گیری ترکیب می‌کند.

مثال عددی: فرض کنید a=16، r=1/2 و s=3/4. طرف راست معادله: 161/2 × 163/4. می‌دانیم 161/2 = 4 و 163/4 = (161/4)3 = 23 = 8. بنابراین طرف راست برابر 4 × 8 = 32 است. حال طرف چپ: r + s = 1/2 + 3/4 = 5/4. داریم 165/4 = (161/4)5 = 25 = 32. هر دو طرف برابر هستند.

نکته این قانون نه‌تنها برای جمع، بلکه برای تفریق نیز به صورت ar-s = ar / as (با شرط as ≠ 0) برقرار است.

۳. کاربرد در ساده‌سازی عبارت‌های جبری

این قانون به ما اجازه می‌دهد عبارت‌های پیچیده شامل متغیرها را ساده‌تر کنیم. برای مثال، عبارت x2/3 · x4/5 را در نظر بگیرید. با استفاده از قانون جمع توان‌ها:

$x^{2/3} \cdot x^{4/5} = x^{\frac{2}{3} + \frac{4}{5}} = x^{\frac{10}{15} + \frac{12}{15}} = x^{22/15}$

این ساده‌سازی در حل معادلات نمایی و لگاریتمی بسیار حیاتی است.

۴. جدول مقایسه: توان‌های صحیح در برابر توان‌های گویا

ویژگی توان صحیح (مثلاً an) توان گویا (مثلاً am/n)
تعریف ضرب مکرر پایه در خودش ریشه‌گیری و توان صحیح همزمان
مثال 23 = 8 82/3 = (∛8)2 = 4
قانون جمع am·an=am+n ap/q·au/v=ap/q+u/v
شرط پایه معمولاً a ∈ R a > 0 (برای توابع حقیقی)

۵. مثال عینی: رشد جمعیت و وام‌های بانکی

فرض کنید جمعیت یک شهر سالانه با نرخ r رشد می‌کند. اگر بخواهیم جمعیت را بعد از 3/2 سال (یک سال و نیم) محاسبه کنیم، از عبارت P(0) × a3/2 استفاده می‌کنیم. حال اگر رشد در دو بازه‌ی زمانی 1/2 ساله و 1 ساله جداگانه محاسبه شود، داریم:

$a^{1/2} \times a^{1} = a^{1/2+1} = a^{3/2}$

که با محاسبه‌ی مستقیم برای کل دوره همخوانی دارد. این اصل در محاسبه‌ی بهره‌ی مرکب بانکی با دوره‌های کسری نیز کاربرد دارد2.

۶. چالش‌های مفهومی

چالش ۱: چرا برای قانون جمع توان‌های گویا حتماً باید a > 0 باشد؟

زیرا اگر a منفی باشد و توان گویا مخرج زوج داشته باشد (مثلاً (-2)1/2)، نتیجه در اعداد حقیقی تعریف‌نشده است. برای یک‌تایی و پیوستگی قانون در تمام اعداد گویا، پایه مثبت فرض می‌شود.

چالش ۲: آیا می‌توانیم از این قانون برای جمع اعداد گویایی که صورت یا مخرج‌شان صفر است استفاده کنیم؟

بله، اما باید دقت کنیم. اگر r=0 باشد، a0=1 و قانون به as = 1 · as تبدیل می‌شود. اگر s صفر باشد نیز وضعیت مشابه است. مخرج کسر (که در ریشه‌گیری به کار می‌رود) هرگز نمی‌تواند صفر باشد، چون تقسیم بر صفر تعریف‌نشده است.

چالش ۳: چگونه قانون ar+s = ar as می‌تواند به حل معادله‌ای مانند 4x × 8x-1 = 16 کمک کند؟

ابتدا همه‌ی پایه‌ها را به یک پایه (مثلاً 2) تبدیل می‌کنیم: 4x = 22x و 8x-1 = 23(x-1). با استفاده از قانون جمع، داریم 22x+3x-3 = 25x-3 = 24. لذا 5x-3=4 و x = 7/5.

برآیند: قانون ar+s = ar as برای اعداد گویا، نه‌تنها یک قاعده‌ی جبری انتزاعی، بلکه ابزاری قدرتمند برای مدل‌سازی پدیده‌های پیوسته و گسسته است. این قانون با یکپارچه‌سازی مفاهیم ریشه و توان، به ما امکان می‌دهد در محاسبات علمی و مالی دقیق و منسجم عمل کنیم. درک این قاعده، درک عمیق‌تری از توابع نمایی و لگاریتمی را نیز فراهم می‌آورد.

پاورقی‌ها

1توان گویا (Rational Exponent): روشی برای نمایش ریشه‌ها به کمک نماهای کسری. اگر n یک عدد طبیعی و m یک عدد صحیح باشد، am/n برابر است با ریشه‌ی nام am.

2بهره‌ی مرکب (Compound Interest): بهره‌ای که بر اساس اصل پول و بهره‌های انباشته‌شده‌ی دوره‌های قبل محاسبه می‌شود و فرمول آن A = P(1 + r/n)nt است که در آن t می‌تواند کسری باشد.