Це стаття про добування коренів. Див. також Корінь функції та Радикал цілого числа.
Корінь -го степеня із числа визначається як таке число , що Тут — натуральне число, що зветься показником кореня (або степенем кореня); як правило, воно більше або дорівнює 2, тому що випадок є тривіальним (звичайним). Добування кореня є протилежною математичною операцією до операції піднесення числа в степінь.
Позначення: символ (знак кореня) в правій частині називається радикалом. Число (підкореневий вираз) найчастіше дійсне або комплексне.
Приклади для дійсних чисел: тому що тому що тому що Як видно з першого прикладу, у дійсного кореня можуть бути два значення (додатнє і від'ємне), і це ускладнює роботу з коренем. Щоб забезпечити однозначність, вводиться поняття арифметичного кореня, значення якого завжди невід'ємне, в першому прикладі це число
Означення та пов'язані поняття
Крім наведеного вище, можна дати два рівносильних означення кореняМ. И. Сканави. Элементарная математика. п.1.11, стр.49.: Коренем -го степеня із числа є розв'язок рівняння (відзначимо, що розв'язків може бути кілька або жодного); Коренем -го степеня із числа є корінь многочлена тобто значення , при якому зазначений многочлен дорівнює нулю.
Операція обчислення називається «добуванням кореня -го степеня» із числа . Це одна з двох операцій, обернених піднесенню до степеня, а саме — знаходження основи степеня за відомим показником і результатом піднесення до степеня . Друга обернена операція, логарифмування, знаходить показник степеня за відомою основою та результатом.
Корені другого і третього степеня використовуються особливо часто і тому мають спеціальні назви. Квадратний корінь: У цьому випадку показник степеня 2 зазвичай опускається, а термін «корінь» без вказівки степеня найчастіше позначає квадратний корінь. Геометрично можна розглядати як довжину сторони квадрата, площа якого дорівнює . Кубічний корінь: Геометрично — це довжина ребра куба, об'єм якого дорівнює .
Корені з дійсних чисел Корінь -го степеня із дійсного числа , в залежності від парності і знака , може мати від 0 до 2 дійсних значень.
Загальні властивості Корінь непарного степеня із додатного числа — додатне число, однозначно визначене. ,де — непарне Наприклад,
Корінь непарного степеня із від'ємного числа — від'ємне число, однозначно визначене. ,де — непарне Наприклад,
Корінь парного степеня із додатного числа має два значення з протилежними знаками, але рівні за модулем. ,де — парне Наприклад,
Корінь парного степеня із від'ємного числа не існує у області дійсних чисел, оскільки при піднесенні будь-якого дійсного числа до степеня з парним показником результатом буде невід'ємне число. Нижче буде показано, як знаходити такі корені в ширшій системі — множині комплексних чисел (тоді значеннями кореня будуть комплексних чисел). не існує, якщо — парне
Корінь будь-якого натурального степеня від нуля — нуль. де
Арифметичний корінь Корені парного степеня визначені, взагалі кажучи, неоднозначно, і цей факт створює незручності при їх використанні. Тому було введено практично важливе обмеження цього поняття.
Арифметичний корінь -го степеня з невід'ємного дійсного числа — це таке невід'ємне число , що Позначається арифметичний корінь тим же знаком радикала.
Таким чином, арифметичний корінь, на відміну від раніше визначеного (алгебраїчногоАлгебричний (багатозначний) корінь у джерелах часто називають просто коренем.), визначається лише для невід'ємних дійсних чисел, а його значення завжди існує, однозначно і невід'ємне. Наприклад, квадратний корінь з числа має два значення: та , з них арифметичним є перше. Оскільки арифметичний корінь і алгебраїчний позначаються одним і тим же символом, але є різними об'єктами, в рамках даної статті арифметичний корінь позначається синім кольором, а алгебраїчний — чорним.
Алгебраїчні властивості Наведені нижче формули вірні, перш за все, для арифметичних коренів будь-якого степеня, у яких знак радикала виділений синім кольором (крім особливо обумовлених випадків). Вони справедливі також для коренів непарного степеня, у яких допускаються і від'ємні підкореневі вирази.
Взаємоскорочення кореня і степеняАлгебра и начала анализа. Учебник для 10—11 классов, под ред. А. Н. Колмогорова. М.: Просвещение, 2002, С. 209. — для непарного : , для парного : Якщо , то і Корінь з добутку дорівнює добутку коренів із співмножників:
Аналогічно для ділення:
Наступна рівність є означенням піднесення у дробову степінь:
Величина кореня не зміниться, якщо його показник і степінь підкореневого виразу розділити на їх спільний множник: Приклад:
Для коренів непарного степеня є додаткова властивість: непарне.
Добуток кореня та піднесення до степеня
Операція піднесення до степеня спочатку була введена як скорочений запис операції множення натуральних чисел: . Наступним кроком було визначення піднесення в довільну цілу, в тому числі від'ємну, степінь:
Операція здобування арифметичного кореня дозволяє визначити піднесення додатнього числа в будь-яку раціональну (дробову) степінь:
При цьому чисельник дробу може мати знак. Властивості розширеної операції переважно аналогічні піднесенню до цілого степеня.
Це визначення означає, що витяг кореня та зворотне до нього зведення в степінь фактично об'єднуються в одну алгебраїчну операцію. Зокрема:
Спроби зведення в раціональну степінь негативних чисел можуть привести до помилок, оскільки значення алгебраїчного кореня неоднозначне, а область значень арифметичного кореня обмежена невід'ємними числами. Приклад можливої помилки:
Функція кореня
Якщо розглядати підкорінний вираз як змінну, ми отримаємо функцію кореня -го степеня: .
Функція кореня належить до категорії алгебраїчних функцій.
Графік функції кореня будь-якого степеня проходить через початок координат та точку .
Як сказано раніше про корінь парного степеня, щоб забезпечити однозначність функції його, він повинен бути арифметичним, так що аргумент невід'ємний. Функція кореня непарного степеня однозначна та існує для будь-якого дійсного значення аргументу.
Тип функції кореня Область визначення Область значень Інші властивостіпарні степеніФункція опукла вгору на всій області визначеннянепарні степеніфункція непарна
Для будь-якого степеня функція кореня строго зростає, неперервна усюди всередині своєї області визначення. Необмежено диференційована усюди, крім початку координат, де похідна набуває значення нескінченності.
Похідна функції кореня визначається за формулою: . Зокрема, . Функція необмежено інтегрована на всій області визначення. Невизначений інтеграл можливо знаходити за формулою: . Зокрема, , де — довільна стала.
Формула знаходження похідної -го порядку функції :
де
Формула знаходження -го невизначеного інтегралаНе плутати з кратними інтегралами. Їх записи вельми схожі, але -й інтеграл є невизначеним, в той час як -кратний інтеграл — має певне значення. функції :
де
Праві частини формул є алгебраїчними виразами, які існують завжди, при натуральному . Отже і ліві теж.
Граничні співвідношення Наведемо кілька корисних границь, що містять корені.
Практичне обчислення коренів Функція обчислення квадратних та кубічних коренів передбачена в багатьох калькуляторах; наприклад, калькулятор Windows показує відповідні кнопки в режимі «Інженерний» (Науковий). Для ручного розрахунку можна використовувати метод, викладений у статті «Алгоритм знаходження кореня n-го степеня».
Для степенів вище третьої можна використовувати логарифмічну тотожність:
З неї випливає, що для добування кореня треба знайти логарифм підкореневого виразу, поділити на степінь кореня та знайти антилогарифм результату.
Корінь комплексного числа Зародження поняття комплексного числа історично було пов'язано з бажанням «легалізувати» квадратні корені з від'ємних чисел. Як поступово з'ясувалося, комплексні числа володіють багатьма алгебраїчними та аналітичними властивостями; зокрема, вилучення коренів з них завжди можливо, хоча і неоднозначно.
Способи знаходження Запишемо комплексне число в тригонометричної формі: . Тоді корінь -го степеня з визначається формулою Муавра (тригонометрична форма) :
або в показниковій формі:
(комплексне число), (дійсна частина комплексного числа), (уявна частина комплексного числа), — уявна одиниця, (модуль комплексного числа), (аргумент комплексного числа), — основа натуральних логарифмів.
Корінь степеня з ненульового комплексного числа має значень (це наслідок основної теореми алгебри), і всі вони різні. Значення кореня, що отримане при , часто називається головним.
Оскільки для всіх значень кореня величина модуля однакова (він визначається як арифметичний корінь з модуля початкового комплексного числа), а змінюється лише його аргумент, всі значень кореня розташовуються на комплексній площині на колі радіуса з центром у початку координат. Корені ділять це коло на рівних частин.
Приклади Знайдемо . Оскільки за формулою отримуємо:
При отримаємо перший корінь , при отримаємо другий корінь
Інший приклад: знайдемо .
Подамо підкорінний вираз в тригонометричній формі:
За формулою Муавра отримуємо:
У підсумку маємо чотири значення кореня:
Можна записати отриману відповідь у вигляді:
Комплексна функція кореня та ріманова поверхня Розглянемо комплексну функцію кореня -о степеня: Відповідно до сказаного вище, ця функція є багатозначною (точніше, -значною) функцією, і це створює незручності при її дослідженні та застосуванні. В комплексному аналізі замість розгляду багатозначних функцій на комплексній площині ухвалено інше рішення: розглядати функцію як однозначну, але визначену не на площині, а на більш складному многовиді, який називається рімановою поверхнею.
Для комплексної функції кореня -го степеня її ріманова поверхня (див. малюнки) складається з гілок (листів), пов'язаних гвинтоподібно, причому останній лист пов'язаний із першим. Ця поверхня неперервна та однозв'язна. Один з листів містить головні значення кореня, що одержані як аналітичне продовження дійсного кореня з чисел позитивного променя дійсної осі.
Опишемо для простоти комплексну функцію квадратного кореня. Її ріманова поверхня складається з двох листів. Перший лист можна представити як комплексну площину, у якій вирізаний позитивний промінь дійсної осі. Значення функції кореня на цьому листі мають удвічі менший аргумент, ніж , і тому вони заповнюють верхню частину комплексної площини значень. На розрізі перший лист склеєний з другим, і функція неперервно продовжується через розріз на другий лист, де її значення заповнюють нижню частину комплексної площини значень. Решту вільних початок першого листа та кінець другого теж склеємо, після чого отримана функція на рімановій поверхні стає однозначною та всюди неперервною.
Єдиний нуль у функції (першого порядку) виходить при . Особливі точки: та (точки розгалудження нескінченного порядку). Наявність точки розгалудження означає, що замкнутий контур в околі нуля неминуче містить перехід з листа на лист.
З огляду на однозв'язність, ріманові поверхні кореня є універсальним накриттям для комплексної площини без точки .
Варіації та узагальнення Корінь -го степеня з є розв'язком рівняння , і його в принципі можна визначити всюди, де таке рівняння має сенс. Найчастіше розглядають такі узагальнення в алгебраїчних кільцях. Найкраще досліджені узагальнені квадратні корені.
Якщо кільце — область цілісності, то квадратних коренів може бути або два, або жодного. Справді, якщо є два кореня то звідки: , тобто, в силу відсутності дільників нуля, . У більш загальному випадку, коли в кільці є дільники нуля або воно некомутативне, число коренів може бути будь-яким.