Kvadratroden af et tal ( 2. grads rod ) er et tal , der giver i anden kvadrat [1] : Ækvivalent definition: kvadratroden af et tal er løsningen til ligningen Operationen med at beregne værdien af kvadratroden af et tal kaldes "udtrække kvadratroden" af dette tal.
Oftest, og betyder reelle tal , men der er også generaliseringer for komplekse tal og andre matematiske objekter , såsom matricer og operatorer .
Hvert positivt reelt tal har to modsatte kvadratrødder. For eksempel er kvadratrødderne af tallet 9, og begge disse tal har de samme kvadrater og er lig med 9. Det gør det svært at arbejde med rødderne. For at sikre entydigheden introduceres begrebet en aritmetisk rod , hvis værdi altid er ikke-negativ for (og positiv for positiv ); den aritmetiske rod af et tal betegnes med rodens fortegn (radikal) [2] [3] : .
Eksempel på reelle tal: fordi
Hvis det er nødvendigt at tage hensyn til rodens tvetydighed, placeres et plus- eller minustegn før radikalet [2] ; sådan gøres det for eksempel i formlen til løsning af en andengradsligning :
De første problemer i forbindelse med at udtrække kvadratroden findes i de babylonske matematikeres skrifter . Blandt sådanne opgaver [4] :
Den babylonske lertavle YBC 7289 fra den babylonske samling af Yale University blev skabt mellem 1800 og 1600 f.Kr. e. og viser henholdsvis √2 og √2/2 i det sexagesimale talsystem : 1;24.51.10 og 0;42.25.35 på en firkant krydset af to diagonaler [5] . (1;24,51,10) i basis 60 svarer til 1,41421296, hvilket er den korrekte værdi med en nøjagtighed på 5 decimaler: Babylonske matematikere (II årtusinde f.Kr.) udviklede en speciel numerisk metode til at udtrække kvadratrodssættet [6] ud under . Lignende problemer og metoder findes i det gamle kinesiske " Matematik i ni bøger " [7] .
De gamle grækere gjorde en vigtig opdagelse: - et irrationelt tal . En detaljeret undersøgelse foretaget af Theaetetus fra Athen (4. århundrede f.Kr.) viste, at hvis roden af et naturligt tal ikke udvindes fuldstændigt, så er dets værdi irrationel [8] .
Middelalderlige europæiske matematikere (for eksempel Cardano ) betegnede kvadratroden [9] med symbolet R x , kort for ordet "radix". Den moderne notation blev første gang brugt af den tyske matematiker Christoph Rudolph , fra skolen af kossister (det vil sige algebraister), i 1525 [10] . Dette symbol kommer fra det stiliserede første bogstav i det samme ord " radix ". Linjen over det radikale udtryk var fraværende i begyndelsen; det blev senere introduceret af Descartes (" Geometries ", 1637) til et andet formål (i stedet for parenteser), og dette træk smeltede hurtigt sammen med rodtegnet.
Efter fremkomsten af Cardano-formlen (XVI århundrede), begyndte brugen af imaginære tal i matematik , forstået som kvadratrødder af negative tal [11] . Det grundlæggende i at arbejde med komplekse tal blev udviklet i det 16. århundrede af Rafael Bombelli , som også foreslog en original metode til at beregne rødder (ved hjælp af fortsatte brøker ). Opdagelsen af Moivres formel (1707) viste, at det altid er muligt at udtrække en rod af enhver grad fra et komplekst tal og ikke fører til en ny type tal [12] .
Komplekse rødder af vilkårlig grad blev studeret i dybden af Gauss i begyndelsen af det 19. århundrede , selvom de første resultater skyldes Euler [13] . En yderst vigtig opdagelse ( Galois ) var beviset på, at ikke alle algebraiske tal ( polynomiumrødder ) kan opnås fra naturlige tal ved hjælp af fire operationer af aritmetik og rodudvinding [14] .
For rationelle tal er ligningen ikke altid løsbar i rationelle tal . Desuden er en sådan ligning, selv for positiv , opløselig i rationelle tal, hvis og kun hvis både tælleren og nævneren af tallet repræsenteret som en irreducerbar brøk er kvadrattal .
Den fortsatte brøk for roden af et rationelt tal er altid periodisk (evt. med en præperiode), hvilket gør det muligt på den ene side nemt at beregne gode rationelle tilnærmelser til rationelle tal ved hjælp af lineære rekursioner , og på den anden side begrænser nøjagtigheden af tilnærmelsen: , hvor afhænger af [ 15] [16] . Det er også rigtigt, at enhver periodisk fortsat brøk er en kvadratisk irrationalitet .
Eksempler på udvidelse af rødder fra naturlige tal fra 2 til 10 til fortsatte brøker:
= [1; 2, 2, ...] | |
= [1; 1, 2, 1, 2, ...] | |
= [2] | |
= [2; 4, 4, ...] | |
= [2; 2, 4, 2, 4, ...] | |
= [2; 1, 1, 1, 4, 1, 1, 1, 4, ...] | |
= [2; 1, 4, 1, 4, ...] | |
= [3] | |
= [3; 6, 6, ...] |
For ethvert positivt tal er der præcis to reelle rødder, der er lige i absolut værdi og modsatte i fortegn [17] .
En ikke-negativ kvadratrod af et ikke-negativt tal kaldes en aritmetisk kvadratrod og betegnes ved hjælp af radikaltegnet [3] : .
Hovedegenskaberne for den rigtige kvadratrod (alle værdier under rodtegnet betragtes som positive):
For komplekse tal, givet rodens to-værdi, er alle disse egenskaber uanvendelige (se nedenfor for et eksempel på en fejl).
Der er altid præcis to kvadratrødder af et komplekst tal , der ikke er nul, de er modsatte i fortegn. For rødder i det komplekse domæne er begrebet en aritmetisk rod ikke introduceret, fortegn for radikalen bruges normalt enten ikke, eller det betegner ikke rodens funktion, men mængden af alle rødder. I sidstnævnte tilfælde, for at undgå fejl, må det radikale tegn ikke bruges i aritmetiske operationer. Almindelig fejl:
(hvilket selvfølgelig ikke er sandt)Fejlen opstod, fordi den komplekse kvadratrod er en funktion med to værdier og ikke kan bruges i aritmetik.
For at udtrække kvadratroden af et komplekst tal er det praktisk at bruge den eksponentielle notation af et komplekst tal: if
,derefter (se De Moivre formel )
,hvor roden af modulus forstås i betydningen en aritmetisk værdi, og k kan antage værdierne k = 0 og k = 1 , således opnås to forskellige resultater til sidst.
Der er også en rent algebraisk repræsentation for roden af ; begge rodværdier er af formen hvor:
Her er sgn "tegn"-funktionen . Formlen verificeres let ved at kvadrere [18] .
Eksempel: for kvadratroden af formlen er der angivet to værdier:
Kvadratroden er en elementær funktion og et specialtilfælde af en potensfunktion med . Den aritmetiske kvadratrod er glat ved nul, men den er ret -kontinuerlig , men ikke differentierbar [19] .
Den afledte af kvadratrodsfunktionen beregnes med formlen:
Som funktion af en kompleks variabel er en rod en funktion med to værdier, hvis to blade er forbundet til nul (se Kompleks analyse for flere detaljer ).
Kvadratrødder er tæt beslægtet med elementær geometri : hvis et segment med længde 1 er givet, kan man ved hjælp af et kompas og en lineal konstruere disse og kun de segmenter, hvis længde er skrevet af udtryk, der indeholder heltal, tegn på fire operationer af aritmetik , kvadratrødder og intet mere [20] .
I mange programmeringssprog på funktionelt niveau (såvel som markup-sprog som LaTeX ) er kvadratrodsfunktionen betegnet som sqrt (fra den engelske kvadratrod "kvadratrod").
Kvadratrødder bruges i hele matematik og naturvidenskab, for eksempel:
Mange algoritmer til at beregne kvadratrødderne af et positivt reelt tal S kræver en vis begyndelsesværdi. Hvis startværdien er for langt fra den reelle værdi af roden, bliver beregningerne langsommere. Derfor er det nyttigt at have et groft skøn, der kan være meget unøjagtigt, men som er nemt at beregne. Hvis S ≥ 1 , lad D være antallet af cifre i S til venstre for decimaltegnet. Hvis S < 1 , lad D være antallet af på hinanden følgende nuller til højre for decimaltegnet, taget med et minustegn. Så ser et groft skøn sådan ud:
Hvis D er ulige, D = 2 n + 1 , så brug Hvis D er lige, D = 2 n + 2 , så bruger viTo og seks bruges fordi og
Når man arbejder i et binært system (som inde i computere), skal man bruge et andet estimat (her er D antallet af binære cifre).
Da trekanter og er ens med hensyn til ligheden mellem trekanter ved 2 lige store vinkler, hvorfra og
Især hvis , og , så [21] .
Denne metode var allerede kendt i det gamle Babylon . Det giver dig mulighed for at finde den omtrentlige værdi af kvadratroden med enhver nøjagtighed,
Successive tilnærmelser beregnes ved formlen: derefter
Denne metode konvergerer meget hurtigt. For eksempel, hvis vi tager den indledende tilnærmelse for , får vi:
I den endelige værdi er alle de givne tal korrekte, undtagen det sidste.
Denne metode giver dig mulighed for at finde den omtrentlige værdi af roden af ethvert reelt tal med en forudbestemt nøjagtighed. Ulemperne ved metoden omfatter den stigende kompleksitet af beregningen med en stigning i antallet af fundne cifre.
For manuelt at udtrække roden, bruges en notation svarende til kolonneopdeling . Det nummer, hvis rod vi leder efter, er skrevet ud. Til højre for den får vi gradvist tallene for den ønskede rod. Lad roden af tallet N udtrækkes med et endeligt antal decimaler. Til at begynde med, mentalt eller med etiketter, deler vi tallet N i grupper med to cifre til venstre og højre for decimaltegnet. Om nødvendigt polstres grupperne med nuller - heltalsdelen er polstret til venstre, brøkdelen til højre. Så 31234.567 kan repræsenteres som 03 12 34.56 70 . I modsætning til opdeling udføres nedrivning i sådanne grupper på 2 cifre.
Visuel beskrivelse af algoritmen:
Kvadratroden af er defineret som en løsning til en ligning , og i princippet kan den defineres ikke kun for tal, men også overalt, hvor en sådan ligning giver mening. Generelt gælder følgende formelle definition:
Lad være en groupoid og . Elementet kaldes kvadratroden af if . |
Oftest betragtes sådanne generaliseringer i algebraiske ringe .
Hvis ringen er et integritetsdomæne , kan der enten være to eller ingen af kvadratrødderne af et element, der ikke er nul. Faktisk, hvis der er to rødder , så hvorfra: , Det vil sige på grund af fraværet af nuldelere , . Mere generelt, når ringen har nul divisorer eller er ikke- kommutativ , kan der være et hvilket som helst antal rødder.
I talteori betragtes en endelig restringmodulo : hvis sammenligningen har en løsning, kaldes heltalet en kvadratisk rest (ellers en kvadratisk ikke-rest ). Løsningen af denne sammenligning ligner ret meget at udtrække kvadratroden i ringen af rester [22] .
Rødderne til quaternioner har meget til fælles med komplekse, men der er også væsentlige træk. Kvadratkvaternionroden har normalt 2 værdier, men hvis rodudtrykket er et negativt reelt tal, så er der uendeligt mange værdier. For eksempel danner kvadratrødderne af en tredimensionel kugle defineret af formlen [23] :
For ringen af kvadratmatricer er det bevist, at hvis matrixen er positiv bestemt , så eksisterer den positive bestemte kvadratrod af matricen og er unik [24] . For matricer af andre typer kan der være et hvilket som helst antal rødder (inklusive ingen).
Kvadratrødder introduceres også for funktioner [25] , operatorer [26] og andre matematiske objekter.
Ordbøger og encyklopædier |
---|