Hatvány

A hatványozás két szám között értelmezett matematikai művelet. Jelölése $a^b$ (ejtsd: a a b-ediken), ahol a-t alapnak, b-t kitevőnek nevezzük.

Pozitív egész b kitevő esetén a hatványozás b darab egymást követő azonos szám összeszorzását jelenti. Például:

$6^3=6\cdot 6\cdot 6=216$

$(-2,4{)}^4=(-2,4)\cdot (-2,4)\cdot (-2,4)\cdot (-2,4)=33,1776$

A hatványozás a permanenciaelvet alkalmazva egyéb kitevőkre is értelmezhető. Ez azt jelenti, hogy az egyéb kitevős hatványokat úgy definiáljuk, hogy tulajdonságaikban a lehető leginkább hasonlítsanak a pozitív egész kitevős hatványra.

Ha lemondunk a hatványozás egyértelműségéről, akkor bármely nemnulla komplex szám alapra és tetszőleges komplex kitevőre is általánosítható a hatványfogalom.

A hatványozás műveletén alapszik a helyiértékes számábrázolás, azaz a számrendszerek használata. A leggyakoribb, tízes számrendszerben például a 10 hatványait használjuk, ezek például a 10, 100, 1000.

Definíció a valós számok halmazán

Az 1 és a 0 hatványozása ($0^0$-t leszámítva) mindig 1-et, illetve 0-t ad eredményül, tehát:

$1^a=1$, illetve $0^a=0$, ha a ≠ 0.

Pozitív egész kitevőre

Ha a tetszőleges valós szám, b pedig 1-nél nagyobb pozitív egész szám, akkor $a^b$ hatvány azt a b tényezős szorzatot jelenti, amelynek minden tényezője a:

$a^b=\underset{b\text{ db}}{\underbrace{a\cdot ...\cdot a}}$

Mivel egytényezős szorzat nem létezik, a b=1 esetet külön kell definiálni:

$a^1=a$

Egyéb elnevezések

Egy szám második hatványát másképpen a négyzetének, harmadik hatványát a köbének is hívjuk.

Nulla kitevőre

Ha az a valós szám nem nulla, akkor

$a^0=1$ (üres szorzat)

A $0^0$ kifejezés nem értelmezhető ellentmondásmentesen.

Negatív egész kitevőre

Ha a tetszőleges nem nulla valós szám, -b pedig negatív egész, akkor

$a^{-b}=\frac{1}{a^b}$

Mivel b pozitív egész, ez a kifejezés a korábbi definíció alapján értelmezhető.

A nulla negatív hatványai nem értelmezhetők, mert nullának nincs reciproka.

Racionális törtkitevőre

Legyen a nemnegatív valós szám, b pedig racionális törtszám. Ekkor a racionális szám definíciója alapján b felírható p/q alakban, ahol p egész, q pedig 1-től különböző pozitív egész. Az $a^b$ hatvány ennek segítségével a következőképpen értelmezhető:

$a^b=a^{\frac{p}{q}}=\sqrt[q]{a^p}$

Negatív alap esetében a matematika nem egységes. Bizonyos esetekben például a következőképp értelmezik:

$(-8{)}^{\frac{1}{3}}=\sqrt[3]{-8}=-2$

Ekkor azonban fontos, hogy a kitevőt egyszerűsített alakjában írjuk fel, például ha a belső hatványkitevőt és a gyökkitevőt is beszorozzuk kettővel, akkor elveszítjük a 8-as előjel-információját:

$\sqrt[6]{(-8{)}^2}=2$

Legtöbbször azonban a negatív számok hatványait a valós számok körében csak egész kitevő esetén értelmezik, törtkitevő esetén pedig a komplex számok többértékű hatványfogalmát használják (lásd lejjebb).

Irracionális kitevőre

Ha a nemnegatív valós szám, b pedig irracionális szám, akkor:

$a^b=\underset{x\to b}{\lim }{a}^x$

Ahol lim a határértéket jelöli, x pedig csak racionális értéket vesz fel. Szemléletesen ez azt jelenti, hogy az irracionális kitevőjű hatvány értéke „nagyon közel” van a körülötte lévő racionális kitevőjű hatványok értékéhez. Ebben a definícióban azt használtuk ki, hogy a racionális számok „sűrűn” helyezkednek el, azaz bármely két valós szám között végtelen sok racionális szám található.

A valós kitevős hatvány az exponenciális függvény és a logaritmus segítségével is bevezethető:

$b^x=e^{x\cdot \ln b}$

Belátható, hogy a hatványozás azonosságai ezzel is érvényben maradnak, és hogy ugyanazt kapjuk, mint a határértékes módszerrel.

Az exponenciális függvény

Az Euler-féle szám a következő bizonyíthatóan konvergens sorozat határértékével definiált valós szám:

$e=\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }(1+\frac{1}{n}{)}^n$

Bebizonyítható, hogy x valós kitevő esetén:

$e^x=\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }(1+\frac{x}{n}{)}^n$

Hiszen pozitív kitevőre:

$e^x={(\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }(1+\frac{1}{n}{)}^n)}^x=\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }{\left({(1+\frac{1}{\frac{nx}{x}})}^n\right)}^x=\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }{(1+\frac{x}{nx})}^{nx}=\underset{m\to \mathrm{\infty }}{\lim }(1+\frac{x}{m}{)}^m$

Az utolsó lépésnél kihasználjuk, hogy ha n a pozitív végtelenbe tart, akkor a konstans pozitívszorosa, m=nx is a pozitív végtelenbe tart. 0 esetén külön megvizsgálva teljesül a várt 1 eredmény, negatív számokra pedig hasonló módon szintén belátható az azonosság.

Határérték-számítási és egyéb átalakítások elvégzésével az előbbi e^x átírható a következő hatványsorformába:

$e^x=1+x+\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{2\cdot 3}+\frac{x^4}{2\cdot 3\cdot 4}+\frac{x^5}{2\cdot 3\cdot 4\cdot 5}\dots =\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{x^k}{k!}$

Ezt a kifejezést x függvényeként tekintve definiáljuk az exponenciális függvényt:

$\exp :ℝ\to ℝ\exp (x)=e^x$

Tetszőleges pozitív valós alapra és valós kitevőre az ln természetes logaritmus segítségével a következőképp írható fel a hatvány:

$a^x={\left(e^{\ln a}\right)}^x=e^{x\cdot \ln a}=\exp (x\cdot \ln a)=\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(x\cdot \ln a{)}^k}{k!}$

Definíciók a komplex számok halmazán

A hatványozás kiterjeszthető a komplex számok halmazára is.

Komplex alap egész kitevőre

Ha az alap komplex, a kitevő pedig egész, akkor a valós definíciókkal megegyező módon:

$z^k=\underset{k\text{ db}}{\underbrace{z\cdot ...\cdot z}}$

$z^1=z$

$z^0=1$

$z^{-k}=\frac{1}{z^k}$

ahol k pozitív egész, az első két esetben z tetszőleges komplex, a második két esetben z nemnulla komplex.

Pozitív valós alap komplex kitevőre

A komplex kitevőjű hatvány legegyszerűbben az exponenciális függvény általánosításának segítségével definiálható, hiszen ahhoz csak a fent definiált egész kitevős hatványra, osztásra, összeadásra és határértékképzésre van szükség:

$\exp :ℂ\to ℂ\exp (z)=\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{z^k}{k!}$

Ezután a pozitív valós szám komplex z kitevős hatványa:

$a^z={\left(e^{\ln a}\right)}^z=e^{z\cdot \ln a}=\exp (z\cdot \ln a)=\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{(z\cdot \ln a{)}^k}{k!}$

Komplex nemnulla alap komplex kitevőre (többértékű hatványfogalom)

Az előző képletben szerepel az a szám természetes logaritmusa (ln a). Azonban azokra a komplex számokra, melyek nem pozitív valósok (C\R⁺), a természetes logaritmus nem egyértelmű. Az ilyen számokra csak a komplex természetes logaritmus értelmezhető, ami a következő halmaz: (k bármilyen egész szám)

$\ln z=\left\{w\right|e^w=z\}=\{\ln |z|+i\cdot (\arg (z)+k\cdot 2\pi )|k\in \mathbb{Z}\}$

ahol |z| a komplex szám abszolút értéke, arg(z) az argumentuma, azaz a komplex számsíkon ábrázolva az origóból az adott számhoz húzott vektor és a valós tengely által bezárt szög.

A természetes logaritmus többértékűsége miatt az általános komplex nemnulla alapú hatvány is többértékű (k tetszőleges egész):

$z^w=\exp (w\cdot (\ln |z|+i\cdot (\arg (z)+k\cdot 2\pi )\left)\right)=\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}(\ln |z|+i\cdot (\arg (z)+k\cdot 2\pi ){)}^n\cdot \frac{w^n}{n!}$

A definíciók összefoglalása

A következő táblázat bemutatja, hogy milyen számhalmazokból álló számok hatványa mit jelent. Ahová egyértelmű van írva az azt jelenti, hogy nem muszáj a többértékű komplex természetes logaritmust használni a kiszámításhoz. Ahová többértelmű van írva, ott ez elkerülhetetlen, viszont megállapodás szerint ott is kiválasztható egy elsődleges érték a végtelen sok közül.

Nem minden számpár illik kizárólag egy sorba. Ezekre a számpárokra mindkét definíció alkalmazható.

a ∈	b ∈	ab kiszámítása	A definíció egyértelműsége
${ℝ}^{+}$	$ℂ$	$\exp (b\cdot \ln a)$	egyértelmű
$ℂ\setminus \left\{0\right\}$	$\mathbb{Z}$	pozitív egész kitevőnél ismételt szorzással, negatív egésznél ismételt osztással, 0 kitevőnél mindig 1	egyértelmű
$ℂ\setminus \left\{0\right\}$	$ℂ$	$\exp (b\cdot (\ln |a|+i\cdot (\arg (a)+k\cdot 2\pi )\left)\right)$	többértelmű (k tetszőleges egész)
$\left\{0\right\}$	${ℝ}^{+}$	$0$	egyértelmű
$\left\{0\right\}$	$ℂ\setminus {ℝ}^{+}$	–	nem értelmezett

Példák

A fenti táblázatnak megfelelő sorrendben:

• Pozitív valós alap komplex kitevőre:

$2^3=8$

$3^{\pi }\approx 31,54$

$2^{1-i}=e^{\ln 2-i\cdot \ln 2}\approx 1,54+1,28i$

• Nemnulla komplex alap egész kitevőre:

$2^3=8$

$(-2{)}^{-5}=-\frac{1}{32}\approx -0,03$

$(1+2i{)}^3=(1+2i)\cdot (1+2i)\cdot (1+2i)=-11-2i$

$(e+8{\pi }^{2}i{)}^0=1$

• Nemnulla komplex alap tetszőleges komplex kitevőre:

$(-1{)}^i=e^{\pi \cdot (2k+1)}\approx \{\dots ;0,04;23,14;12391,65;\dots \}$

$\begin{array}{cc}(2+3i{)}^{3+\pi i}& =e^{(\ln \sqrt{11}+i\cdot (\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}\left(\frac{3}{2}\right)+k\cdot 2\pi ))\cdot (3+\pi i)}\approx \\ & \approx \{\dots ;(0,44+0,37i)\cdot 10^{-8};1,64+1,37i;(0,61+0,51i)\cdot 10^9;\dots \}\end{array}$

• Nulla alap pozitív valós kitevőre:

$0^{\pi }=0$

$0^{12}=0$

• Nulla alap olyan komplex kitevőre, ami nem pozitív valós:

$0^0\notin ℂ$

$0^{4+3i}\notin ℂ$

Nulla a nulladikon

A nulla nulladik hatványát általában nem definiálják:

• Az algebrai kifejezéseket tartalmazó határértékektől elvárják, hogy egy részkifejezés helyére egy hozzá tartó sorozatot helyettesítve a határérték ne változzon meg. De ha f(t) és g(t) is nullához tart, akkor f(t)^g(t) határértéke különböző lehet:

$\underset{t\to 0^{+}}{\lim }{t}^t=1,\underset{t\to 0^{+}}{\lim }(e^{-1/t^2}{)}^t=0,\underset{t\to 0^{+}}{\lim }(e^{-1/t^2}{)}^{-t}=+\mathrm{\infty },\underset{t\to 0^{+}}{\lim }(e^{-1/t}{)}^{at}=e^{-a}$.

Ezért a nulla nulladik hatványa nem értelmezhető.

• A komplex számsíkon a z^z függvényt az e^{z ln z} kifejezés definiálja, de a nulla nem logaritmálható. Nincs reguláris függvény, ami értelmezve van a nulla egy környezetében, ami megegyezik z^z-vel minden pozitív egészre.

Néha azonban mégis célszerű egynek definiálni a nulla nulladik hatványát:

• Nullák üres szorzataként az érték 1
• A kombinatorikai definíció szerint a nulla a nulladikon az üres halmaz elemeiből képzett nulla hosszú sorozatok száma: ez szintén 1.
• A halmazelmélet szerint az üres halmazból az üres halmazba menő függvények száma 1.
• Nagymértékben leegyszerűsíti a polinomok és a hatványsorok elméletét, ha a konstans tagot ax⁰ alakban írhatjuk fel:
  • A polinomok szorzatának együtthatóinak kiszámítására vonatkozó formula sokat veszít egyszerűségéből, ha a konstans tagokat külön kell kezelni.
  • Az olyan azonosságok, mint $\frac{1}{1-x}={\sum }_{n=0}^{\mathrm{\infty }}{x}^n$ és $e^x={\sum }_{n=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{x^n}{n!}$ nem teljesülnek nullára, kivéve, ha 0⁰ = 1.
  • A binomiális tétel: $(1+x{)}^n={\sum }_{k=0}^n(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k})x^k$ nem teljesül x = 0-ra, hacsak nem 0⁰ = 1.
• A differenciálszámításban az $\frac{d}{dx}{x}^n=n{x}^{n-1}$ szabály nem értelmes n = 1-re, kivéve, ha 0⁰ = 1.

A hatványozás azonosságai

A szorzat alakú definícióval belátható azonosságok pozitív egész kitevő esetén:

$a^b\cdot c^b={(a\cdot c)}^b$

Azonos kitevőjű hatványok szorzata: az alapok szorzata a közös kitevőre emelve.

$a^b\cdot a^c=a^{b+c}$

Azonos alapú hatványok szorzata: a közös alap a kitevők összegére emelve.

$a^{b-c}=\frac{a^b}{a^c}$

Azonos alapú hatványok osztása esetén a tört egyszerűsíthető.
Az eredmény attól függ, hogy a számláló vagy a nevező kitevője nagyobb.

$a^{b\cdot c}={\left(a^b\right)}^c={\left(a^c\right)}^b$

$a^{\left(b^c\right)}\ne {\left(a^b\right)}^c$

${\left(\frac{a}{b}\right)}^c=\frac{a^c}{b^c}$

Tört hatványa egyenlő a számláló és a nevező hatványának hányadosával.

$(x^i{x}^j)x^k=x^i(x^j{x}^k),$ a szorzás asszociativitása miatt.

A komplex számok hatványozása nem egyértelmű. Ekkor az azonosságok mindkét oldalának több lehetséges értéke is lehet. A két oldal egyenlősége az ezek által alkotott két halmaz egyenlőségeként értendő.

Határértékek

A nulla nulladik hatványáról szóló szakaszban látható, hogy a két változós x^y függvénynek nincs határértéke (0,0)-ban.

Tekintsük az f(x,y) = x^y függvényt az x > 0 tartományon. Jelöljük ezt a tartományt D-vel. Tekintsük D-t $\overline{ℝ}\times \overline{ℝ}$ részhalmazának, és keressük itt az f függvény határértékeit!

f-nek D minden torlódási pontjában van határértéke, kivéve a (0,0), (+∞,0), (1,+∞) és az (1,−∞) pontokban. Eszerint az x^y függvény folytonosnak tekinthető, ha 0 ≤ x ≤ +∞, −∞ ≤ y ≤ +∞, a 0⁰, (+∞)⁰, 1^+∞ és 1^−∞, amiket továbbra sem értelmezünk.

Ezzel a folytonossági tulajdonsággal

• a^+∞ = +∞ és a^-∞ = 0, ha 1 < a ≤ +∞.
• a^+∞ = 0 és a^-∞ = +∞, ha 0 ≤ a < 1.
• 0^b = 0 és (+∞)^b = +∞, ha 0 < b ≤ +∞.
• 0^b = +∞ és (+∞)^b = 0, ha -∞ ≤ b < 0.

Jó, ha észben tartjuk, hogy ezek a határértékek csak pozitív alapokra érvényesek. A folytonossági módszer nem alkalmazható, ha x < 0. Valójában a negatív számok tört kitevős hatványai nem értelmezhetők úgy, mint a pozitívoké. Még az egész kitevős hatványoknak sincs határértéke a végtelenben a váltakozó előjel miatt.

Felhasználásai

• A hatványozást felhasználjuk a helyértékes számábrázolás, illetve a tizedestörtek alkalmazásakor.
• A tíz hatványai fontos szerephez jutnak a számok normálalakjának felírásában. A normálalak a számot egy egy és tíz közötti szám és tíz egy hatványának szorzataként fejezi ki.
• A számelmélet alaptétele kimondja, hogy minden pozitív egész szám a tényezők sorrendjétől eltekintve egyértelműen írható fel prímhatványok szorzataként.
• A komplex szinusz és koszinusz kifejezhető az exponenciális függvény segítségével (Euler-formula). Így a komplex kitevős hatványokkal a trigonometria számos kérdése algebrai eszközökkel kezelhető.
• A képzetes egység hatványai i, -1, -i, 1, … Ezért i hatványai felhasználhatók a négy periódusú sorozatok felírásában.

Függvényiteráció hatványjelölése

Sokszor a felső index függvények esetén nem hatványozást, hanem iterációt jelöl; tehát f³=f(f(f(x))). Ezt a jelölést sokszor figyelmeztetés nélkül használják. Az iterált függvényrendszerek a dinamikai rendszerek és a fraktálok tanulmányozásában használatosak. Ez az iteráció a hatványozáshoz hasonlóan kiterjeszthető tört értékekre is. Az f^1/2(x) számításával Babbage foglalkozott először.

A trigonometrikus függvények esetén azonban történeti okok miatt a pozitív felső index hatványozást, a negatív felső index viszont sokszor az inverz függvény hatványait jelöli, annak ellenére, hogy ezeknek is van rövidített nevük. Hasonló teljesül a logaritmusokra is.

Az absztrakt algebrában

Az egész kitevős hatványok az absztrakt algebrai struktúrákban is definiálhatók (félcsoportban, csoportban).

Ezekben a struktúrákban az x elem pozitív egész kitevős hatványa az egész kitevős hatványok mintájára definiálható. Az n tényezős szorzatot hatványként jelölve teljesülnek a következő tulajdonságok:

• $(x^i{x}^j)x^k=x^i(x^j{x}^k),$
• $x^1=x$
• $x^{m+n}=x^m{x}^n$
• $(x^m{)}^n=x^{mn}$

Ha a műveletnek van kétoldali egységeleme, akkor x⁰ = 1 minden x elemre. Így

• $x1=1x=x,$
• $x^0=1$

Ha az x elem invertálható, akkor a hatványozás kiterjeszthető a negatív kitevőkre is:

• $x{x}^{-1}=x^{-1}x=1,$ az inverz kétoldalisága
• $(xy)z=x(yz),$ asszociativitás
• $x^{-n}={\left(x^{-1}\right)}^n$
• $x^{m-n}=x^m\cdot x^{-n}$

Ha a szorzás kommutatív, akkor még a következő is teljesül:

• $(xy{)}^n=x^n{y}^n$

különben az egyenlőség csak akkor áll fenn, ha x és y felcserélhető.

Az Abel-csoportokban szokásos additív jelölés esetén ismételt összeadással az egész számmal szorzás vezethető be a hatványozáshoz hasonlóan. Ekkor a szorzásnak a hatványozással analóg tulajdonságai lesznek.

Más műveletek iteratív alkalmazását is szokásos felső kitevővel jelölni. A félreértések elkerülése végett ilyenkor a művelet jelét is felviszik a felső indexbe. Például jelölhetik a konvolúciós hatványt így: x^*n

Csoportokban a konjugálás műveletét szintén felső index jelöli: g^h = h⁻¹gh a g csoportelem konjugáltja h-val. Léteznek olyan algebrai struktúrák, amikben a konjugálás hatványozáshoz hasonló tulajdonságai fontos szerepet kapnak.

A halmazelméletben

Ha A halmaz, n természetes szám, akkor Aⁿ az A halmaz elemeiből képzett n-esek számát jelöli. Ez egyenlő az {0, 1, 2, ..., n−1} → A függvények számával; az (a₀, a₁, a₂, ..., a_n−1) n-es annak a függvénynek felel meg, ami i-hez a_i-t rendel.

A κ végtelen kardinális szám esetén ezt a függvényhalmazt A^κ jelöli. Szokták balra is írni a felső indexet, hogy megkülönböztessék a kardinális hatványozástól.

Ha κ és λ kardinális szám, akkor κ^λ azoknak a függvényeknek a számosságát jelöli, amik egy λ számosságú halmaz elemeihez egy κ számosságú halmaz elemeit rendeli. Véges számokra ez a definíció a megszokott jelentést adja.

A kardinális számok hatványozását meg kell különböztetni a rendszámok hatványozásától, ami transzfinit indukcióval határértékként definiálható.

Egyes algebrai struktúrák hatványozása, vagy direkt összege is definiálható. Ezzel újabb struktúrákat kaphatunk. A lineáris algebrában például vehetjük vektorterek direkt összegét, ahol az indexek egy tetszőleges indexhalmazból valók. Ha az összeadandó vektorterek mindegyike a valós számokkal izomorf, és n természetes szám, akkor a sokat tanulmányozott n dimenziós valós euklideszi térhez jutunk.

Iterált hatványozás

Ahogy az összeadás iteráltja a szorzás, és a szorzásé a hatványozás, úgy a hatványozásnak is van iterált művelete: a tetráció. A tetráció is iterálható, és így tovább. A műveleteknek ezt a sorozatát az Ackermann-függvény foglalja magában, és a Knuth-féle nyíl jelöléssel jelölhető. Minden iterált művelet kétváltozós függvénynek tekintve gyorsabban nő, mint az előző: a (3,3) helyen az összeadás, a szorzás, a hatványozás és a tetráció eredménye rendre 6, 9, 27, 7 625 597 484 987.

Kapcsolódó szócikkek

• Hatvány (algebra)
• Hatvány (halmazelmélet)
• Hatványhalmaz

Források

• Obádovics J. Gyula: Matematika (több kiadás)
• Kratofil Dezső: Algebra – Példatár (Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1973)
• Halász Gábor: Komplex függvénytan
• Császár Ákos: Valós analízis I.