Na początku zdefiniujemy pojęcie potęgi.

 

Potęga liczby $a$ o wykładniku $n$ nazywamy liczbę w postaci:
$$a^{n} = \underbrace{a\cdot a\cdot a \cdot … \cdot a}_{n-razy}$$
gdzie:

oraz $n$ jest liczbą naturalną większa od 0.
Przykłady.
$$5^{3} = 5 \cdot 5 \cdot 5 = 25 \cdot 5 = 125$$$$2^{3} = 2 \cdot 2 \cdot 2 = 4 \cdot 2 = 8$$$$4^{4} = 4 \cdot 4 \cdot 4 \cdot 4 = 16 \cdot 4 \cdot 4 = 16 \cdot 16 =256$$ $$3^{2} = 3 \cdot 3 = 9$$$$13^{8} = 13 \cdot 13 \cdot 13 \cdot 13 \cdot 13 \cdot 13 \cdot 13 \cdot 13$$

Potęga o wykładniku wymiernym i całkowitym

Teraz podamy wzory na potęgę o wykładniku wymiernym i całkowitym.

Są to:
$$a^{\color{blue}{-n}} = \frac{1}{a^{\color{blue}{n}}},\;\;\;\;\;a \neq 0, n\in \mathbb{N}$$$${a^{\frac{1}{\color{blue}n}} = \sqrt[\color{blue}n]{a},\;\;\;\;\;a \geq 0, n\in \mathbb{N}}$$ $${{{a^{\frac{\color{red}k}{\color{blue}n}} = (\sqrt[\color{blue}n]{a})^{\color{red}k},\;\;\;\;\;a \geq 0, n\in \mathbb{N},k\in \mathbb{Z_{+}}}}}$$

$$a^{\frac{-\color{red}{k}}{\color{blue}{n}}}=(\sqrt[\color{blue}{n}]{a})^{\color{red}{-k}}=\left(\frac{1}{\sqrt[\color{blue}{n}]{a}}\right)^{\color{red}{k}},\;\;\;\;\;a > 0, n\in \mathbb{N},k\in \mathbb{Z_{+}}$$

gdzie:
$\mathbb{Z_{+}}$ – zbiór liczb całkowitych dodatnich.

Przykład I. $\left(ad.~a^{-n} = \frac{1}{a^{n}}\right)$
$$3^{-1}=\frac{1}{3}$$ $$\left(\frac{5}{7}\right)^{-4} = \left(\frac{7}{5}\right)^{4} = \frac{7^{4}}{5^{4}}$$
Przykład II. $\left(ad.~a^{\frac{1}{n}} = \sqrt[n]{a}\right)$
$$3^{\frac{1}{3}} = \sqrt[3]{3}$$ $$8^{\frac{1}{2}} = \sqrt{8}$$ $$\left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{1}{3}}=\sqrt[3]{\frac{1}{2}}=\frac{1}{\sqrt[3]{2}}$$
Przykład III. $\left(ad.~a^{\frac{k}{n}} = (\sqrt[n]{a})^{k}\right)$
$$2^{\frac{3}{2}} = (\sqrt{2})^{3}$$ $$4^{\frac{3}{4}} = (\sqrt[4]{4})^{3}$$
Przykład IV. $\left(ad.~a^{\frac{-k}{n}}=(\sqrt[n]{a})^{-k}=\left(\frac{1}{\sqrt[n]{a}}\right)^{k}\right)$
$$2^{\frac{-3}{2}} = (\sqrt{2})^{-3}=\frac{1}{(\sqrt{2})^{3}}$$
Potęgą liczby $a$ o wykładniku zerowym jest liczba:
$$a^{0} = 1$$.
Przykłady.
$$147^{0}=1$$ $$2^{0}=1$$ $$15^{0}=1$$

Działania na potęgach

Niech $m,n$ będą dowolnymi liczbami rzeczywistymi.

Jeśli $a > 0$ i $ b > 0$, to zachodzą równości:

$${{a}^{\color{blue}m} \cdot {a}^{\color{red}n} = {a}^{\color{blue}m+\color{red}n}}$$ $${\frac{{a}^{\color{blue}m}}{{a}^{\color{red}n}}={a}^{\color{blue}m-\color{red}n}}$$ $${a}^{\color{red}{n}} \cdot {{b}}^{\color{red}{n}} = \left({{a}}{{b}}\right)^{\color{red}{n}}$$ $$\frac{{a}^{\color{red}{n}}}{{{b}}^{\color{red}{n}}}=\left(\frac{{a}}{{{b}}}\right)^{\color{red}{n}}$$ $$({a}^{\color{blue}m})^{\color{red}n}={a}^{\color{blue}m\cdot \color{red} n}$$ $$({a}^{\color{blue}m})^{\color{red}n}=({a}^{\color{blue}m})^{\color{red}n}=({a}^{\color{red}n})^{\color{blue} m}$$

Powyższe wzory na działania na potęgach o wykładniku wymiernym i całkowitym znajdują się na kartach wzorów maturalnych.

Przykłady.

Przykład I. $\left(ad.~a^{m} \cdot a^{n} = a^{m+n}\right)$
$$5^{3} \cdot 5^{4} = 5^{3+4} = 5^{7}$$co można pokazać również bez użycia wzoru:$$\underbrace{{\underbrace{{5\cdot5\cdot5}}_{3~razy}}\underbrace{{\cdot5\cdot5\cdot5\cdot5}}_{4~razy}}_{7~ razy~(3+4)}=5^{7}$$
$$5^{9} \cdot 5^{17} = 5^{9+17} = 5^{26}$$
$$\left(\frac{1}{2}\right)^{2} \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^{3} = \left(\frac{1}{2}\right)^{5}$$
Przykład II. $\left(ad.~\frac{a^{m}}{a^{n}}=a^{m-n}\right)$
$$3^{6} \div 3^{2} = 3^{6-2} = 3^{4}$$bo:$$\frac{\overbrace{3\cdot3\cdot3\cdot3\cdot3\cdot3}^{6~razy}}{\underbrace{3\cdot3}_{2~razy}}=\underbrace{3\cdot3\cdot3\cdot3}_{4~razy}$$
$$\frac{5^{7}}{5^{3}} = 5^{7-3} = 5^{4}$$
$$\frac{\left(\frac{1}{2}\right)^{10}}{\left(\frac{1}{2}\right)^{4}} = \left(\frac{1}{2}\right)^{10-4}=\left(\frac{1}{2}\right)^{6}=\frac{1^{6}}{2^{6}}=\frac{1}{2^{6}}$$
$$\frac{10^{100}}{10^{300}} = 10^{100-300} = 10^{-200} = \left(\frac{1}{10}\right)^{200}$$
Przykład III. $\left(ad.~a^{n} \cdot b^{n} = \left(ab\right)^{n}\right)$
$$3^{2} \cdot 5^{2} = (3\cdot5)^{2} = 15^{2}$$$$3\cdot3\cdot5\cdot5 = \underbrace{(3\cdot5)\cdot(3\cdot5)}_{2~razy}=15\cdot 15=15^2$$
$$5^{7}\cdot 6^{7}= (5\cdot 6)^{7} = 30^{7}$$
$$\left(\frac{1}{2}\right)^{100} \cdot 8^{100}= \left(\frac{1}{2}\cdot 8\right)^{100} = 4^{100}$$
Przykład IV. $\left(ad.~\frac{a^{n}}{b^{n}}=\left(\frac{a}{b}\right)^{n}\right)$
$$\frac{4^{4}}{5^{4}} = \left(\frac{4}{5}\right)^{4}$$$$\frac{8^{4}}{4^{4}} = \left(\frac{8}{4}\right)^{4}=2^{4}$$$$\frac{17^{8}}{4^{8}} = \left(\frac{17}{4}\right)^{8}$$$$\left(\frac{1}{3}\right)^{3} = \frac{1^{3}}{3^{3}}=\frac{1}{27}$$
Przykład V. $\left(ad.~(a^{m})^{n}=a^{m\cdot n}\right)$
$$(2^{3})^{2} = 2^{3\cdot2} = 2^{6}$$co rozpisując potęgi możemy zapisać następująco:$$\underbrace{\underbrace{(2\cdot2\cdot2)}_{3~razy}\cdot\underbrace{(2\cdot2\cdot2)}_{3~razy}}_{6~razy}$$
$$(6^{11})^{5} = 6^{11\cdot5}=6^{55}$$
$$(3^{\frac{1}{2}})^{8} = 3^{\frac{1}{2}\cdot8} = 3^{4}$$
$$(2^{\sqrt{2}})^{\sqrt{5}} = 2^{\sqrt{2}\cdot\sqrt{5}} = 2^{\sqrt{10}}$$

Zadania

Zadanie 1.
Oblicz wartość wyrażenia $\left(\frac{2^{6}}{2^{3}}\right)^{3}$
Skorzystamy ze wzorów: $$(a^{m})^{n}=a^{m\cdot n}$$$$\frac{a^{m}}{a^{n}}=a^{m-n}$$
Zatem:

$$\left(\frac{2^{6}}{2^{3}}\right)^{3} \stackrel{1}{=} \frac{2^{6\cdot 3}}{2^{3\cdot 3}}\ = \frac{2^{18}}{2^{9}} \stackrel{2}{=} 2^{18-9} = 2^{9}$$
gdzie:
$1$ – pierwszy wzór zadania 1,
$2$ – drugi wzór zadania 1.
Zadanie 2.
Zapisz liczbę w postaci potęgi 2 liczbę: $\sqrt{8}\cdot \sqrt{16}$.
Skorzystamy ze wzorów: $$a^{m} \cdot a^{n} = a^{m+n}$$$$a^{\frac{1}{n}} = \sqrt[n]{a}$$
Zatem:

$$\sqrt{8}\cdot \sqrt{16}  = \sqrt{8\cdot 16} \stackrel{1}{=} \sqrt{2^{3}\cdot 2^{4}} = \sqrt{2^{3+4}} = \sqrt{2^{7}} \stackrel{2}{=} 2^{\frac{7}{2}}$$
$1$ – pierwszy wzór zadania 2,
$2$ – drugi wzór zadania 2.
Zadanie 3.
Oblicz $\frac{81^{2}\cdot16^{3}\cdot12}{8^{3}\cdot27^{3}\cdot72}$

Zamieńmy liczby w ułamek na potęgi o podstawie 2 i 3 oraz rozłóżmy liczby 12 i 72 na czynniki pierwsze, tzn.:

$$\frac{81^{2}\cdot16^{3}\cdot12}{8^{3}\cdot27^{3}\cdot72} = \frac{(3^{4})^{2}\cdot(2^{4})^{3}\cdot12}{(2^{3})^{3}\cdot(3^{3})^{3}\cdot72} = \frac{3^{8}\cdot2^{12}\cdot2\cdot2\cdot3}{2^{9}\cdot3^{9}\cdot2\cdot2\cdot2\cdot3\cdot3} = \frac{3^{8+1}\cdot2^{12+2}}{2^{9+3}\cdot3^{9+2}}=$$
$$=\frac{3^{9}\cdot2^{14}}{2^{12}\cdot3^{11}}=3^{9-11}\cdot2^{14-12} = 3^{-2}\cdot2^{2} = \left(\frac{1}{3}\right)^{2}\cdot2^{2} = \left(\frac{2}{3}\right)^{2} = \frac{4}{9}$$
Zadanie 4.
Ustaw liczby w kolejności rosnącej:

  • $-2^{4},~\left(-\frac{1}{2}\right)^{5},~(-2)^{5}$
  • $\left(\frac{1}{2}\right)^{2},~\left(\frac{1}{2}\right)^{6},~\left(\frac{1}{2}\right)^{3}$
Zauważ, że w pierwszym przykładzie, dla $-2^{4}$ mamy $-16$ zamiast $16$. Dlaczego? Ponieważ zgodnie z kolejnością wykonywania działań, najpierw potęgujemy liczbę $2^{4}$, a potem mnożymy przez $-1$, więc: $-2^{4} = -\left(2\cdot2\cdot2\cdot2\right)= -1 \cdot 16= -16$. Gdybyśmy mieli nawias, tj. $(-2)^{4}$, to najpierw wykonujemy działanie w nawiasie (mnożenie razy -1). Inaczej mówiąc, do potęgi podnosimy liczbę $-2$, tzn.: $(-2)^{4}~$=$~(-2)\cdot(-2)\cdot(-2)\cdot(-2)~$=$~4\cdot4~$=$~16$. Oczywiście, gdy liczba ujemna jest podnoszona do nieparzystej potęgi, to wynik również jest ujemny, a więc ${(-2)}^{5}~$=$~(-2)\cdot(-2)\cdot(-2)\cdot(-2)\cdot(-2)~$=$4\cdot4\cdot(-2)$=$~-32$.
Mamy zatem:

$$-2^{4} =-16,$$ $$\left(-\frac{1}{2}\right)^{5}=-\frac{1^5}{2^{5}}=-\frac{1}{32},$$ $$~(-2)^{5}=-32$$

Wobec tego mamy: $$(-2)^{5}~<~-2^{4}~<~\left(-\frac{1}{2}\right)^{5}$$ W następnym przykładzie zamieńmy najpierw ułamki na liczby, korzystając ze wzoru $a^{-n} = \frac{1}{a^{n}}$, czyli:

$$\left(\frac{1}{2}\right)^{2}=2^{-2},~\left(\frac{1}{2}\right)^{6}=2^{-6},~\left(\frac{1}{2}\right)^{3}=2^{-3}$$

porządkując potęgi o takich samych podstawach będziemy kierowali się wykładnikiem potęgi. Im większy wykładnik – tym większa liczba. U nas wykładniki to $-2, -6~$ i $-3$, zatem w kolejności od najmniejszej do największej: $$2^{-6}~<~2^{-3}~<~2^{-2}.$$

Zadanie 5.
Oblicz wartość wyrażenia:

  • $(-2)^{4}+(1\frac{1}{3})^{2} – 3^{0}$
  • $-3^{4} + (-3)^{2} – (2\frac{1}{2})^{3}$
    W zadaniu 4. było wyjaśnione, dlaczego liczba $-2^{4}=-16$. W tym przypadku mamy liczbę $-3^{4}$ i wynosi ona $-81$.

    Zatem:
    $$(-2)^{4}+\left(1\frac{1}{3}\right)^{2} – 3^{0} = 16 + \left(\frac{4}{3}\right)^{2}-1 = 16+\frac{16}{9}-1 =$$$$=\frac{144}{9}+\frac{16}{9}-\frac{9}{9}=\frac{144+16-9}{9}=\frac{151}{9}=16\frac{7}{9}$$
    $$-3^{4} + (-3)^{2} – \left(2\frac{1}{2}\right)^{3}=-81+9-\left(\frac{5}{2}\right)^{3} = -72-\frac{125}{8} =$$$$= -\frac{576}{8} – \frac{125}{8} = \frac{-576-125}{8} = \frac{-701}{8} = 87\frac{5}{8}$$
0