Степінь. Одночлени. Многочлени

Ця тема — робочий інструмент для всієї подальшої алгебри. Властивості степенів використовуються в показникових і логарифмічних рівняннях, у похідній, у стандартному вигляді числа; формули скороченого множення — у розкладанні на множники, скороченні дробів і розв'язанні рівнянь. Помилки тут майже завжди технічні — і саме тому найбільш прикрі: вони псують правильно задуманий розв'язок.

Степінь з натуральним показником

Степінь ana^n з натуральним показником nn — це добуток nn однакових множників:

an=aaan множників.a^n = \underbrace{a \cdot a \cdots a}_{n \text{ множників}}.

Число aa називають основою, nnпоказником степеня.

Властивості степенів

Обери правило й покрути показники — приклад із підстановкою та числова перевірка оновлюються миттєво:

Основні властивості (для однакової основи a0a \neq 0):

aman=am+n,aman=amn,(am)n=amn.a^m \cdot a^n = a^{m+n}, \qquad \dfrac{a^m}{a^n} = a^{m-n}, \qquad (a^m)^n = a^{m \cdot n}.

(ab)n=anbn,(ab)n=anbn.(ab)^n = a^n b^n, \qquad \left(\dfrac{a}{b}\right)^n = \dfrac{a^n}{b^n}.

Усі ці правила легко відновити з означення, якщо забув. Наприклад, a2a3=(aa)(aaa)=a5a^2 \cdot a^3 = (aa)(aaa) = a^5 — показники справді додалися. Тому не заучуй їх списком: за потреби перевіряй на маленьких числах.

Важливо, чого в списку немає: правил для суми основ. Вирази (a+b)n(a+b)^n і an+bna^n + b^n різні, і саме тут виникає найпоширеніша помилка курсу.

Ступінь суми — не сума степенів

(a+b)2a2+b2(a + b)^2 \ne a^2 + b^2. Перевірка на числах: (3+4)2=49(3+4)^2 = 49, а 9+16=259 + 16 = 25. Правильно — за формулою квадрата суми: (a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2.

Цілий показник

Показник може бути нулем або від'ємним:

a0=1 (a0),an=1an.a^{0} = 1 \ (a \neq 0), \qquad a^{-n} = \dfrac{1}{a^n}.

Часта помилка

ana^{-n} — це не від'ємне число, а обернене до ana^n. Наприклад, 23=182^{-3} = \tfrac{1}{8}, а не 8-8.

Обидві домовленості не випадкові — вони випливають із правила ділення. Справді, a3a3=a33=a0\dfrac{a^3}{a^3} = a^{3-3} = a^0, але той самий дріб очевидно дорівнює 11; звідси a0=1a^0 = 1. Так само a2a5=a3\dfrac{a^2}{a^5} = a^{-3}, а прямим скороченням дістаємо 1a3\dfrac{1}{a^3}.

Приклад 1 — спрощення виразу зі степенями

Спростимо (2x3)2x44x\dfrac{(2x^3)^2 \cdot x^{-4}}{4x}.

  1. Підносимо до степеня чисельник: (2x3)2=4x6(2x^3)^2 = 4x^6;
  2. множимо на x4x^{-4} — показники додаються: 4x64=4x24x^{6-4} = 4x^2;
  3. ділимо на 4x4x: коефіцієнти 44=1\dfrac{4}{4} = 1, показники віднімаються x21=xx^{2-1} = x.

Відповідь: xx.

Одночлени

Одночлен — це добуток чисел і степенів змінних, наприклад 5x35x^3, 2ab2-2ab^2. Число-множник називають коефіцієнтом. Одночлени множать за правилом: перемножують коефіцієнти, а показники однакових змінних додають:

axmbxn=abxm+n.a x^m \cdot b x^n = ab\, x^{m+n}.

Степенем одночлена називають суму показників усіх його змінних: одночлен 2ab2-2ab^2 має степінь 1+2=31 + 2 = 3.

Многочлени

Многочлен — це сума одночленів (його членів). Щоб додати або відняти многочлени, зводять подібні члени (з однаковими змінними в однакових степенях).

Щоб перемножити многочлени, кожен член першого множать на кожен член другого. Найважливіший випадок — добуток двох двочленів. Покрути aa і bb:

Формули скороченого множення

Запам'ятай наслідки: (x+a)(x+b)=x2+(a+b)x+ab(x+a)(x+b) = x^2 + (a+b)x + ab, а також (a±b)2=a2±2ab+b2(a \pm b)^2 = a^2 \pm 2ab + b^2 і (ab)(a+b)=a2b2(a-b)(a+b) = a^2 - b^2. Вони економлять час на НМТ.

Ці формули корисні в обидва боки. Зліва направо вони розкривають дужки, а справа наліво — розкладають вираз на множники, що потрібно для скорочення дробів і розв'язання рівнянь. Найбільш «прибуткова» — різниця квадратів: побачивши x225x^2 - 25, одразу пиши (x5)(x+5)(x-5)(x+5).

Приклад 2 — обчислення без калькулятора

Обчислимо 98298^2 і 10397103 \cdot 97.

  1. 982=(1002)2=100221002+22=10000400+4=960498^2 = (100 - 2)^2 = 100^2 - 2\cdot100\cdot2 + 2^2 = 10000 - 400 + 4 = 9604;
  2. 10397=(100+3)(1003)=100232=100009=9991103 \cdot 97 = (100+3)(100-3) = 100^2 - 3^2 = 10000 - 9 = 9991.

Обидва обчислення займають кілька секунд саме завдяки формулам скороченого множення.

Приклад 3 — розкладання на множники

Розкладемо на множники вираз x34xx^3 - 4x.

  1. Спершу завжди виносимо спільний множник: x34x=x(x24)x^3 - 4x = x(x^2 - 4);
  2. у дужках — різниця квадратів: x24=(x2)(x+2)x^2 - 4 = (x-2)(x+2);
  3. отже, x34x=x(x2)(x+2)x^3 - 4x = x(x-2)(x+2).

Порядок дій тут принциповий: якби ми одразу шукали формули, не винісши xx, розкладання не побачили б.

Типові помилки

  • Підносять суму до степеня почленно. (a+b)2a2+b2(a+b)^2 \ne a^2 + b^2.
  • Множать показники замість додавання (або навпаки). При множенні степенів показники додають, при піднесенні степеня до степеня — множать.
  • Вважають ana^{-n} від'ємним числом.
  • Забувають подвоєний добуток у формулі квадрата суми.
  • Зводять неподібні члени. 3x23x^2 і 3x3x — не подібні, додати їх не можна.
  • Не виносять спільний множник перед розкладанням. Це майже завжди перший крок.

Перевір себе

Порада щодо вводу

Степінь пиши через ^, множення — зі зірочкою або без. Перевірка приймає будь-який еквівалентний запис (порядок доданків не важливий). Ось як твій запис перетворюється на формулу:

  • пишеш x^7 → виглядає як x7x^7
  • пишеш 12*x^5 або 12x^5 → виглядає як 12x512x^5
  • пишеш x^2 + 5x + 6 → виглядає як x2+5x+6x^2 + 5x + 6
  • пишеш 1/9 → виглядає як 19\tfrac{1}{9}

Розібрані приклади

Так виглядають задачі цієї теми в тренажері. Тут вони розібрані повністю — у самому тренажері числа в умові щоразу нові, а розв’язання відкривається після вашої відповіді.

  1. Приклад 1. Обчислення степеня

    Обчисліть 51 5^{-1}

    Відповідь: 1/51/5

    Розв'язання: 51=151=155^{-1} = \dfrac{1}{5^{1}} = \dfrac{1}{5}
  2. Приклад 2. Властивості степенів

    Спростіть x5x5 x^{5} \cdot x^{5}

    Відповідь: x10x^10

    Розв'язання: x5x5=x5+5=x10x^{5} \cdot x^{5} = x^{5+5} = x^{10}
  3. Приклад 3. Множення одночленів

    Виконайте множення 2x23x4 2x^{2} \cdot 3x^{4}

    Відповідь: 6x66*x^6

    Розв'язання: 2x23x4=6x62x^{2} \cdot 3x^{4} = 6x^{6}