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第9章 冪、平方根與實數初識
重複相加可以用乘法表示,重複相乘則可以用冪表示。但平方與平方根不是只看符號長得相反,就能任意互相消去;正負號、括號與所求對象仍然重要。
本章讀完,你應能解讀自然數指數,區分主平方根與方程式的解,並用明確的上下界說明平方根的近似值。
9.1 冪是在重複乘什麼
2³表示3個2相乘:2 × 2 × 2 = 8。底數是2,指數是3;不是2乘3,也不是3個2相加。
對正整數n,aⁿ表示n個a相乘。本章採通常約定:當a不等於0時,a⁰ = 1,讓乘上零次方不改變原有冪的乘法關係。本章不處理0⁰;其他數學情境可能另有約定,不能只靠這裡的非零底數規則斷定它。
0的正整數次方則是0,因為重複乘積中包含0。本章先不討論負指數或複數平方根。
例題1 計算2³ × 2²
- 2³是3個2相乘,2²是2個2相乘。
- 合在一起共有5個2相乘。
- 因此2³ × 2² = 2⁵。
- 依次計算2、4、8、16、32,得到2⁵ = 32。
這說明同底數冪相乘時,指數相加的來源;不是把底數也一起加起來。
有括號時,先看底數到底是什麼。(−3)² = (−3) × (−3) = 9;但依通常運算記法,−3²表示−(3²) = −9。沒有括號時,冪先於前面的負號作用,兩個寫法不同。
9.2 平方可以連到面積
3²是3 × 3,可以用邊長3個長度單位的正方形表示,其面積為9個面積單位。邊長4的正方形則有4 × 4 = 16個面積單位。
長度與面積的單位不同。邊長3公尺,面積是9平方公尺,不能寫成9公尺。對負數作平方時,負號屬於數的運算;不是把物理邊長畫成負長度。
9.3 主平方根只取非負的一個
若a是非負實數,√a表示平方後等於a的非負數,稱為主平方根。於是√9 = 3,而不是同時把3與−3都放進這一個函數值。
但如果問題是「哪些數的平方等於9」,3和−3都符合。根號所表示的一個值,與方程式可能有幾個解,是不同問題。
例題2 求√25,再解x² = 25
- 5 × 5 = 25,且5不為負,所以√25 = 5。
- (−5) × (−5)也等於25,因此−5同樣符合方程式x² = 25。
- 方程式的兩個實數解是5與−5,但主平方根的值仍只有5。
- 回查兩個候選值,各自代入平方,都會得到25。
還要排除其他解,不能只因試中兩個數就宣稱沒有別的。非負數越大,平方也越大,所以除5之外沒有另一個非負數平方為25。若x為負,正數−x的平方也必須是25,因而−x只能是5,x只能是−5。這才把兩種符號的實數情況都涵蓋。
同樣,√[(-6)²] = √36 = 6,不是−6。對實數a,平方後再取主平方根會得到|a|,因為主平方根保留非負值,不保留原來的負方向。
9.4 精確符號與有限近似
不是每個平方根都能在紙上寫成簡短的整數或有限小數。√2表示非負、平方等於2的數;若需要有限精度,可以保留精確符號,同時給出可檢查的近似範圍。
本冊在數線上使用這些實數作計算與比較;實數的嚴格完備性背景留到後續分析冊,不把小數算出幾位當成那套理論的證明。
例題3 用上下界近似√2
- 先計算1.414²,得到1.999396,小於2。
- 再計算1.415²,得到2.002225,大於2。
- 這兩個候選數都是非負數;在非負數範圍內,平方會隨數值增加而增加。
- 因此1.414 < √2 < 1.415。
- 若依第7章的規則保留到小數點後兩位,√2取近似值1.41;它還沒到會進成1.42的分界1.415。
不能寫成√2 = 1.414,因為1.414的平方不等於2。多算幾位可以縮小近似誤差,但精確符號與有限近似的角色仍要分開。
9.5 平方不任意穿過加號
(2 + 3)²要先算括號得到5,再平方得到25。2² + 3²則是4 + 9 = 13,兩者不相等。
同樣,√9 + √16 = 3 + 4 = 7,而√(9 + 16) = √25 = 5。把分開的根號合成一個根號,並不是通常有效的加法規則。
這些數值反例足以推翻「對所有合格數都能任意這樣改寫」的說法,但不表示沒有任何特定數值會碰巧相同。反例要對準原命題的範圍。
9.6 練習
- B01-C09-Q01:求3⁴,寫出重複乘積。
- B01-C09-Q02:比較(−4)²與−4²的值。
- B01-C09-Q03:依本章約定,5⁰是多少?這能直接決定0⁰嗎?
- B01-C09-Q04:求√81。
- B01-C09-Q05:求√[(-6)²],注意主平方根。
- B01-C09-Q06:解x² = 16,並與√16比較。
- B01-C09-Q07:計算(2 + 3)²與2² + 3²,判斷能否直接去掉括號。
- B01-C09-Q08:利用1.414 < √2 < 1.415,把√2依第7章規則保留到小數點後兩位。
9.7 完整解答
Q01
3⁴ = 3 × 3 × 3 × 3。前兩個3相乘得9,再乘3得27,再乘3得81,所以答案是81。
Q02
(−4)² = (−4) × (−4) = 16;−4²表示−(4 × 4) = −16。括號決定負號是否包含在被平方的底數中。
Q03
5不為0,所以依本章約定5⁰ = 1。這條規則有非零底數的條件,不能直接拿來決定本章未處理的0⁰;要另外查明情境和約定。
Q04
9² = 81,且9是非負數,所以√81 = 9。雖然−9平方也得到81,它不是主平方根的非負值。
Q05
先算(−6)² = 36,再取主平方根,得到√36 = 6。結果也等於|−6|,不會回到原來的負數。
Q06
4² = 16,(−4)² = 16,所以4與−4都符合方程式。再依例題2的方法排除其他實數解:若0 ≤ x < 4,則x² < 16;若x > 4,則x² > 16。因此非負解只有4。若x < 0,非負數−x的平方也等於16,所以−x = 4,得到x = −4。這便涵蓋全部實數情況,實數解恰為4與−4。√16則只等於非負的4;不要把函數值寫成兩個數。
Q07
(2 + 3)² = 5² = 25;2² + 3² = 4 + 9 = 13。兩個結果不同,因此不能用分開平方直接取代括號內和的平方。
Q08
√2已大於1.414,但嚴格小於1.415。保留到百分位時,進成1.42的分界是1.415;本題尚未到分界,因此√2 ≈ 1.41。這是近似,不是精確等式。
9.8 本章回顧
冪記錄重複相乘,括號決定底數,主平方根則保留非負值。方程式的解與根號函數值要分開,近似數也不能冒充精確值。最後一章會把整數、分數、小數、比例與冪根整合成完整問題。