الرياضيات · المسرد

ما معنى القوى العامة؟

تعريف 4.2 الرياضيات الجامعية — السنة 1 · الفصل 4 — الدوال المعيارية

من أجل x>0x > 0 و αR\alpha \in \R:   xα=eαlnx\;x^\alpha = \eu^{\alpha \ln x}. ومن أجل a>0a > 0 حيث a1a \neq 1، يكون اللوغاريتم ذو الأساس aa هو logax=lnxlna\log_a x = \frac{\ln x}{\ln a}، وهو مقلوب xaxx \mapsto a^x.

سلّم النموّ في : قرب الحافة اليمنى، لم يتجاوز x القيمة 1.6 بعدُ إلا بقليل، في حين غادر x الإطار. وكل نسبة (لوغاريتم على قوة، أو قوة على أسّية) تؤول إلى 0 — ولا يلمّح الرسم إلا إلى ما تجعله التعويضات في البرهان دقيقًا.
سلّم النموّ في القضية 4.6: قرب الحافة اليمنى، لم يتجاوز lnx\ln x القيمة 1.61.6 بعدُ إلا بقليل، في حين غادر ex\eu^x الإطار. وكل نسبة (لوغاريتم على قوة، أو قوة على أسّية) تؤول إلى 00 — ولا يلمّح الرسم إلا إلى ما تجعله التعويضات في البرهان دقيقًا.

أمثلة

مثال 4.3 (حلّ المعادلات الأسّية)

حُلَّ 2x=5x12^x = 5^{\,x-1} في R\R. الطرفان موجبان، فخذ اللوغاريتمات — وهي خطوة قابلة للعكس:

xln2=(x1)ln5    x(ln2ln5)=ln5    x=ln5ln5ln2=ln5ln521.756.x\ln2 = (x - 1)\ln5 \iff x(\ln2 - \ln5) = -\ln5 \iff x = \frac{\ln5}{\ln5 - \ln2} = \frac{\ln 5}{\ln\frac52} \approx 1.756 .

ثم حُلَّ x2=3x^{\sqrt2} = 3 من أجل x>0x > 0: ارفع إلى القوة 12\frac1{\sqrt2} (أي طبّق التقابل المقلوب): x=31/2=e(ln3)/22.175x = 3^{1/\sqrt2} = \eu^{(\ln 3)/\sqrt2} \approx 2.175. والفكرة النافذة: كل معادلة تخلط القوى تنفكّ عبر ln\ln و exp\exp، لأن التعريف xα=eαlnxx^\alpha = \eu^{\alpha\ln x} يردّ كل تلاعب بالقوى إلى حساب الأسس — لكن على مجموعة التعريف x>0x > 0 وحدها حيث يحيا ذلك التعريف.

مثال 4.4 (أزمنة التضاعف)

مقدار ينمو بنسبة 3%3\% في كل خطوة: فبعد nn خطوة يكون قد ضُرب في (1.03)n(1.03)^n. فمتى يتضاعف؟ حُلَّ (1.03)n2(1.03)^n \geq 2:

nln(1.03)ln2    nln2ln1.03=0.69310.0295623.4,n\ln(1.03) \geq \ln2 \iff n \geq \frac{\ln 2}{\ln 1.03} = \frac{0.6931}{0.02956} \approx 23.4 ,

فيقع التضاعف الأول عند الخطوة 2424. (و«قاعدة 7272» عند الماليين، التي تقدّر زمن التضاعف بقسمة 7272 على النسبة المئوية، هي هذا الحساب مع التقريب ln(1+x)x\ln(1 + x) \approx x، المكمَّم في الفصل 16.) وأحسن ما يُعقل به عن السيرورات الأسّية هو لوغاريتماتها: فعلى ذلك السلّم يكون النموّ خطيًا وتصير الأسئلة قسمات.

مثال 4.5 (كم طول العدد 220262^{2026}؟)

عدد الأرقام العشرية لعدد صحيح N1N \geq 1 هو log10N+1\floor{\log_{10} N} + 1 (فللعدد NN بالفعل dd رقمًا تحديدًا عندما 10d1N<10d10^{d-1} \leq N < 10^d، أي d1log10N<dd - 1 \leq \log_{10}N < d). ومن أجل N=22026N = 2^{2026}:

log1022026=2026log102=2026×0.301030=609.887,\log_{10} 2^{2026} = 2026\,\log_{10}2 = 2026 \times 0.301030 = 609.887 ,

ومنه فللعدد 220262^{2026} من الأرقام 610610. ويحمل الجزء الكسري مكافأةً: 100.8877.710^{0.887} \approx 7.7، فالعدد يبدأ بالرقم 77. فقد أجابت عملية ضرب واحدة عن سؤال يخصّ عددًا لن يكتبه أحد كاملًا — فاللوغاريتمات تضغط الحجم الجدائي في حجم جمعيّ، وهذا كل مغزاها التاريخي (والمثال 7.12 يجعل هذه الجملة دقيقة).

اقرأ في الفصل ←