Wiskunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9
63Breuken en machten
Breuken en machten zijn het dagelijkse gereedschap van het rekenen: hoeveelheden verdelen, verhoudingen vergelijken, heel grote of heel kleine getallen opschrijven. Dit hoofdstuk zet de rekenregels ervoor op een rij — met elke tussenstap uitgeschreven — en voert de wetenschappelijke notatie in.
63.1 Rekenen met breuken
Definitie 63.1 (Breuk)
Een breuk (met ) is het quotiënt van door . Twee breuken zijn gelijk wanneer je de ene uit de andere krijgt door teller en noemer met hetzelfde getal, verschillend van nul, te vermenigvuldigen (of erdoor te delen):
Voorbeeld 63.2
Vereenvoudig stap voor stap:
(In Hoofdstuk 64 doet de grootste gemene deler dit in één stap.)
Methode 63.3 (Breuken optellen en aftrekken)
Voorbeeld 63.4
Bereken . Een gemeenschappelijke noemer van en is :
Bereken . Schrijf als een breuk op noemer :
Methode 63.5 (Breuken vermenigvuldigen en delen)
Voorbeeld 63.6
waar we eerst door de gemeenschappelijke factor en daarna door hebben vereenvoudigd. En een deling:
63.2 Machten
Definitie 63.7 (Macht)
Voor een reëel getal en een positief geheel getal is de macht het product van factoren gelijk aan :
Per afspraak is (voor ), en negatieve exponenten staan voor omgekeerden:
Voorbeeld 63.8
; , maar (de exponent bindt sterker dan het minteken); ; en .
Stelling 63.9 (Rekenregels voor exponenten)
Voor alle , verschillend van nul en alle gehele getallen , :
Bewijs. Voor positieve exponenten tel je de factoren. Voor de eerste regel: bestaat uit factoren gevolgd door factoren , samen factoren. Voor de derde: herhaalt keer een blok van factoren, wat factoren geeft. De twee andere regels gaan net zo; de uitbreiding naar nul en naar negatieve exponenten volgt uit (en maakt de afspraak de enige samenhangende keuze, want moet zijn). ∎
Voorbeeld 63.10
Vereenvoudig stap voor stap:
En met twee letters: .
63.3 Machten van tien en wetenschappelijke notatie
Propositie 63.11 (Machten van tien)
Voor een positief geheel getal schrijf je als “ gevolgd door nullen”, en is met de op de -de decimale plaats. Een decimaal getal met (respectievelijk ) vermenigvuldigen verschuift zijn decimaalteken plaatsen naar rechts (respectievelijk naar links).
Definitie 63.12 (Wetenschappelijke notatie)
De wetenschappelijke notatie van een positief decimaal getal is de enige manier om het te schrijven als
Voorbeeld 63.13
De afstand Aarde–Zon is ongeveer km km. De grootte van een watermolecule is ongeveer m m. Om met zulke getallen te rekenen, groepeer je de decimale delen en de machten van tien:
Methode 63.14 (Een getal in wetenschappelijke notatie zetten)
- Zet het decimaalteken juist achter het eerste cijfer dat niet nul is; dat geeft de factor met ;
- tel over hoeveel plaatsen het teken is verschoven: dat aantal is , positief als het oorspronkelijke getal was, negatief als het was;
- controleer: moet het oorspronkelijke getal teruggeven.
63.4 Oefeningen
Oefening 63.1 ★
Bereken en geef het resultaat als een volledig vereenvoudigde breuk:
Oplossing
Oplossing van Oefening 63.1.
.
.
.
.
Oefening 63.2 ★
Bereken en vereenvoudig:
Oplossing
Oplossing van Oefening 63.2.
(vereenvoudigd door en door ).
.
(de ’s en de ’s vallen weg).
Oefening 63.3 ★
Bereken:
Oplossing
Oplossing van Oefening 63.3.
; ; ; ; ; .
Oefening 63.4 ★
Schrijf als één macht:
Oplossing
Oplossing van Oefening 63.4.
; ; ; ; .
Oefening 63.5 ★
Schrijf in wetenschappelijke notatie: ; ; ; ; twaalf miljoen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 63.5.
; ; ; ; twaalf miljoen .
Oefening 63.6 ★★
Bereken, en geef het resultaat in wetenschappelijke notatie:
Oplossing
Oplossing van Oefening 63.6.
.
.
.
Oefening 63.7 ★★
Een tank is voor vol. Na het toevoegen van liter is hij voor vol. Wat is de inhoud van de tank? (Druk eerst uit welk deel van de tank erbij is gekomen.)
Oefening 63.8 ★★
Alice eet van een cake op, daarna eet Ben van wat overblijft, en daarna eet Carla van wat er dan nog over is. Welk deel van de cake blijft er aan het einde over? (Bereken na elke stap de rest.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 63.8.
Na Alice blijft van de cake over. Ben eet op, waardoor overblijft. Carla eet daarvan de helft op, , waardoor van de cake overblijft.
Oefening 63.9 ★★
Licht legt meter per seconde af. De Zon staat ongeveer m ver. Hoe lang doet zonlicht erover om ons te bereiken? Geef het antwoord in seconden (wetenschappelijke notatie is niet nodig), en daarna in minuten en seconden.
Oplossing
Oplossing van Oefening 63.9.
Tijd seconden, dat wil zeggen minuten en seconden.
Oefening 63.10 ★★★
Wat is groter, of ? (Tip: schrijf beide als machten met exponent met behulp van , en vergelijk met .)
63.5 Opgave: de geheime code van de repeterende decimalen
Probleem 63.1
Weekendopgave — elke breuk heeft een decimale schrijfwijze die stopt of repeteert, elke repeterende decimale schrijfwijze is een breuk, en is precies
Deel door en de cijfers vallen in een dreun: , eindeloos. Deel door en de cijfers stoppen abrupt: . Deze opgave bewijst dat dit de enige twee mogelijke gedragingen van een breuk zijn — en zet daarna de machine in omgekeerde richting: gegeven een repeterende decimale schrijfwijze, bouwt ze de breuk terug die erachter schuilt. Onderweg beslecht ze, eens en voor altijd, de meest bediscussieerde gelijkheid van de schoolwiskunde.
Deel I — Van breuk naar decimale schrijfwijze.
- Bereken met een staartdeling de decimale schrijfwijzen van , , en . Welke stoppen, welke repeteren, en met welk repeterend blok?
- Leg uit waarom de decimale schrijfwijze van elke breuk ofwel moet stoppen, ofwel vanaf een zeker punt moet repeteren. (Welke waarden kunnen de opeenvolgende resten in de staartdeling door aannemen? Wat gebeurt er op het ogenblik dat een rest voor de tweede keer opduikt?)
- Zet de deling van door ver genoeg voort om het repeterende blok te vinden. Hoe lang is het, en hoe verhoudt die lengte zich tot de grens die vraag 2 belooft?
- Sommige breuken stoppen doordat hun noemer tot een macht van tien kan worden opgeblazen: , . Leg het criterium uit, en ook waarom geen enkele vermenigvuldiger die een heel getal is, , of ooit in , , kan omzetten (op welk cijfer zou het product eindigen?).
- Verdeel zonder te delen , en over “stopt” en “repeteert”, en geef daarna de decimale schrijfwijze van de twee die stoppen.
Deel II — Van repeterende decimale schrijfwijze terug naar de breuk.
- De verschuiftruc. Zij Bereken , daarna , en leid als breuk af. Ga het na door te delen.
- Zij Welke macht van tien verschuift over precies één repeterend blok? Schrijf ermee als een breuk in eenvoudigste vorm.
- Een gemengd geval: (alleen de repeteert). Bereken en leid als breuk in eenvoudigste vorm af.
- De beroemde: pas de verschuiftruc toe op Welke breuk — welk getal — vind je? Verzoen het resultaat met je aanvoelen, en denk daarbij aan de spookbuur van Probleem 38.1 en de krimpende rest van Probleem 39.1: ligt “net onder” , of is het een andere naam voor ?
- Zet en om in breuken in eenvoudigste vorm.
Deel III — Het woordenboek afgemaakt.
- Vragen 6–10 suggereren een woordenboek: een blok van cijfers dat vanaf het decimaalteken repeteert, is dat blok gedeeld door negens (). Voorspel met het woordenboek als breuk, vereenvoudig — en verwonder je: welke verrassend eenvoudige breuk dreunt “”? Ga het na door te delen.
- Combineer het woordenboek met een verschuiving: schrijf als een breuk in eenvoudigste vorm.
- Het getal (een , dan één , dan een , dan twee nullen, dan een , dan drie nullen, en zo verder) stopt nooit. Is het een repeterende decimale schrijfwijze? Wat zegt deel I er dan over — kan het een breuk zijn? (Je hebt net je eerste bewijsbaar irrationale getal ontmoet; het beroemdste wordt in Hoofdstuk 65 gevangen.)
- Hoeveel cijfers heeft ongeveer? Gebruik en de rekenregels voor exponenten (Stelling 63.9) om in (benaderde) wetenschappelijke notatie te schrijven, en besluit. (Vergelijk Oefening 63.10.)
- Slot: schrijf als een breuk, en formuleer de les in twee richtingen van de hele opgave: welke decimale schrijfwijzen zijn breuken, en welke breuken hebben welke decimale schrijfwijze?
Oplossing
Oplossing van Probleem 63.1.
1. (stopt); (blok ); (blok na de ); (blok ).
2. Bij elke stap van de deling door is de rest een van de waarden (Stelling 37.7). Duikt er een rest op, dan stopt de deling. Zo niet, dan moet na ten hoogste stappen een rest voor de tweede keer opduiken — er zijn meer stappen dan mogelijke resten — en vanaf dat ogenblik herhaalt de deling precies de rij cijfers die ze na de eerste keer voortbracht: de decimale schrijfwijze draait eeuwig rond. Stoppen of repeteren: een derde gedrag bestaat niet.
3. : het blok heeft lengte . Vraag 2 beloofde een herhaling binnen ten hoogste stappen — hier duiken de resten alle op vóór de terugkeert: de langst mogelijke dreun voor een deling door .
4. stopt precies wanneer een zekere als noemer , , heeft — dat wil zeggen wanneer de noemer tot een macht van tien kan worden vermenigvuldigd, zoals of . Voor en is dat hopeloos: een macht van tien heeft cijfersom , en elk veelvoud van heeft een cijfersom die een veelvoud van is — dus is geen enkel veelvoud van (en dus ook niet van ) ooit , , Voor : , , en door delen laat altijd een rest (, , , ), nooit . Noemers die een macht van tien bereiken, stoppen; alle andere repeteren.
5. : , stopt: . : , stopt: . : is een veelvoud van , repeteert ().
6. , dus is (de staarten vallen precies tegen elkaar weg), en . Controle door te delen:
7. Het blok heeft twee cijfers, dus verschuif je met : , en dus is en .
8. en ; aftrekken geeft , dus (deel door ). En inderdaad is
9. , dus is en . Niet “net onder” : is het getal , in een tweede kostuum geschreven. Elk getal strikt onder laat een gaatje open, en Probleem 38.1 liet zien dat in een gaatje altijd nog getallen zitten — terwijl er tussen en niets past. De eindeloze negens zijn de chocoladerest van Probleem 39.1, gekrompen onder elke positieve hoeveelheid: er blijft niets over.
10. . En (deel door ).
11. Volgens het woordenboek: . Omdat , vereenvoudigt dat tot : de breuk dreunt “”. Controle door te delen:
12. (deel door ).
13. De blokken nullen groeien eindeloos, dus kan geen vast blok eeuwig repeteren: het is geen repeterende decimale schrijfwijze (en ze stopt ook nooit). Volgens deel I stopt of repeteert elke breuk — dus is dit getal helemaal geen breuk: het is irrationaal, op maat gemaakt. De superstar van de irrationaliteit, , wordt in Hoofdstuk 65 ontmaskerd.
14. : een getal net boven , en dus met cijfers. (Precies: .)
15. , al in eenvoudigste vorm ( heeft geen factor gemeen met ). Het afgemaakte woordenboek: de breuken zijn precies de decimale schrijfwijzen die stoppen of repeteren — noemers die vriendjes van tien zijn stoppen, alle andere dreunen een blok; en omgekeerd is elke dreun, zelfs je afstudeerjaar, een vermomde breuk.