Potenssi

Kohteesta Wikipedia
(Ohjattu sivulta Eksponentiaalinen)
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tämä artikkeli käsittelee laskutoimitusta. Nimitystä potenssi käytetään myös seksuaalisesta kyvykkyydestä, katso artikkeli Impotenssi.

Potenssi on matemaattinen lyhennysmerkintä, jolla esitetään saman luvun toistuva kertolasku. Esimerkiksi kolmen 2:n tulo lyhennetään . Toistuvaa lukua kutsutaan kantaluvuksi ja toiston lukumäärää eksponentiksi, jolloin merkinnässä luku 2 on kantaluku ja luku 3 on eksponentti. Tällöin sanotaan, että luku 2 korotetaan potenssiin 3. Arkipäiväisemmin sanotaan myös "kaksi potenssiin kolme", "kaksi kolmanteen potenssiin" tai lyhyemmin "kaksi kolmanteen".

Yleisesti voidaan merkitä kantaluvun korottamista potenssiin : . Merkintää voidaan lukea myös "a potenssiin n", "a n:nteen potenssiin" tai "a:n n:s potenssi".

Käsitteitä ja merkintätapoja[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Luvun toista potenssia eli kutsutaan usein luvun neliöksi ja vastaava kolmatta potenssia kuutioksi. Siten merkintä voidaan lausua "luvun neljä neliö" eli "neljän neliö" ja "luvun neljä kuutio" eli "neljän kuutio".

Erityisesti laskimissa käytetään luvun kymmenen potensseille erityistä merkintäänsä. Esimerkiksi merkitään 1E+2, joka tarkoittaa . Luku 1 on siis kerroin, kirjain E ilmoittaa, että on kyse kymmenen potensseista, ja +2 tarkoittaa kymmenen positiivista eksponenttia kaksi. Vastaavasti merkittäisiin esimerkiksi muodossa 2,3E+6.

Potenssin laskemisesta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Potenssi ei ole vaihdannainen kuten yhteen- tai kertolasku. Esimerkiksi, 2 + 3 = 3 + 2 = 5 ja 2 · 3 = 3 · 2 = 6, mutta 23 = 8, kun taas 32 = 9.

Potenssi ei ole myöskään liitännäinen. Esimerkiksi (2 + 3) + 4 = 2 + (3 + 4) = 9 ja (2 · 3) · 4 = 2 · (3 · 4) = 24, mutta = = 4 096, kun taas = = 2 417 851 639 229 258 349 412 352.

Jos sulkeita ei ole merkitty, lasketaan potenssit alkaen ylimmästä eksponentista:


(Kirjoitettuna kaavana: b^p^q = b^(p^q) ≠ (b^p)^q.)

Eksponenttina positiivinen kokonaisluku[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Edellä esitetty potenssin havainnollinen tulkinta voidaan kirjoittaa muodollisesti seuraavasti. Olkoon reaaliluku ja positiivinen kokonaisluku. Tällöin määritellään ja , kun .

Tulon tekijöiden lukumääriä tarkastelemalla voidaan todistaa seuraavat laskusäännöt päteviksi, kun ja ovat reaalilukuja sekä ja positiivisia kokonaislukuja:

Eksponenttina nolla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Potenssin tulkinta kertolaskun kautta ei kerro, mitä luvun nollas potenssi olisi: eihän ole olemassa tuloa, jossa on 0 tulon tekijää. Mikäli halutaan, että luku voidaan korottaa myös nollanteen potenssiin, täytyy sopia, mitä nollannella potenssilla tarkoitetaan.

Periaatteessa tämä sopimus voitaisiin tehdä täysin mielivaltaisesti, mutta useimmissa tapauksissa edellä esitetyt potenssin laskusäännöt eivät pätisi nollansilla potensseilla. Kun sovelletaan toista laskusääntöä potenssiin , jossa on nollasta eroava reaaliluku, saadaan

.

Siis luvun nollannen potenssin on oltava aina 1, mikäli halutaan laskusäännön pätevän myös tapauksessa . Siksi määritellään

kaikilla nollasta eroavilla reaaliluvuilla . Näin määritellen myös muut potenssin laskusäännöt ovat voimassa nollansille potensseille.

Luvun nolla nollannelle potenssille laskusäännöt eivät kuitenkaan anna vastaavia rajoitteita. Siksi onkin epämääräinen muoto eli se jätetään yleisesti määrittelemättä. Joissain erikoistapauksissa kuten binomikaavan ja potenssisarjojen yhteydessä määritellään kuitenkin toisinaan .

Negatiivinen eksponentti[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Samoin kuin nollas potenssi määritellään myös negatiiviset kokonaislukupotenssit pyrkimällä säilyttämään potenssin laskusäännöt. Olkoon positiivinen kokonaisluku ja nollasta eroava. Jotta sääntö pätisi myös, kun , tulee olla

Toisin sanoen määritellään luvun :s negatiivinen kokonaislukupotenssi luvun käänteisluvuksi. Näin määritellen ovat muutkin potenssin laskusäännöt voimassa negatiivisen kokonaislukueksponentin tapauksessa.

Eksponenttina rationaaliluku[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Seuraavaksi yleistetään potenssin käsite kaikille rationaalisille eksponenteille, jotta voidaan puhua esimerkiksi potensseista ja . Vaaditaan yhä, että edellä esitellyt potenssin laskusäännöt säilyvät voimassa.

Olkoon positiivinen kokonaisluku ja positiivinen reaaliluku. Laskusäännön nojalla on määriteltävä siten, että

Siis on se luku, jonka :s potenssi on itse. Tällaista lukua kutsutaan luvun :nneksi juureksi. Määritellään sen tähden

Olkoon sitten mikä tahansa kokonaisluku. Vaatimalla, että potenssin potenssia koskeva laskusääntö pätee myös potenssille , saadaan

Tämän mukaisesti määritellään siis kaikilla . Myös kaikki muut potenssin laskusäännöt ovat voimassa tällaisella rationaalisen eksponentin määrittelyllä.

Miksi kantaluvun on oltava positiivinen?[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rationaalisen eksponentin tapauksessa on esitetty rajoitus . Siis esimerkiksi ja eivät ole määriteltyjä lausekkeita. Jos kantaluvulle sallittaisiin negatiivisia arvoja, jouduttaisiin seuraavanlaiseen ristiriitaan:

Koska , on joko kiellettävä murtolukueksponenttien laventaminen (ja myös supistaminen) tai sitten rajoituttava vain ei-negatiivisiin kantalukuihin. Jälkimmäinen valinta on luonnollisempi.

Myöskään nolla ei ole sovelias arvo rationaalipotenssin kantaluvulle. Jos nimittäin eksponentti on negatiivinen, päädytään jakamaan nollalla.

Eksponenttina irrationaalinen luku[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Potenssiinkorotus on edellä määritelty siten, että eksponentti voi olla mikä rationaaliluku hyvänsä. Voidaan osoittaa, että mitä tahansa irrationaalilukua voidaan arvioida mielivaltaisen tarkasti rationaaliluvuilla. Siksi jokaista irrationaalilukua kohden on olemassa rationaalilukujen jono siten, että jono suppenee kohti lukua . Tällöin myös jono suppenee riippumatta positiivisesta reaaliluvusta . Irrationaalinen potenssi voidaan täten määritellä raja-arvona

Voidaan osoittaa, että potenssin laskusäännöt ovat voimassa myös irrationaalisen eksponentin tapauksessa. Näin on potenssiinkorotus määritelty kaikilla eksponentin reaalisilla arvoilla. Irrationaalinen eksponentti voidaan määritellä myös infimumin ja supremumin avulla seuraavasti. Olkoon irrationaaliluku. Kun , määritellään

Kun , määritellään

Potenssiin perustuvia funktioita[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Potenssifunktiossa potenssimerkinnän kantaluku on muuttuja ja eksponentti vakio. Potenssifunktiot ovat yksinkertaisia funktioita, joilla on kuitenkin lukuisia sovelluksia mallinnuksessa. Eksponenttifunktiossa potenssimerkinnän eksponentti on muuttuja ja kantaluku vakio. Myös eksponenttifunktiolla on monia sovelluksia, minkä takia näitä funktioita voidaan pitää tärkeimpinä yleisfunktioina matematiikassa.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]