การยกกำลัง คือ
การดำเนินการทางคณิตศาสตร์อย่างหนึ่ง เขียนอยู่ในรูป
an ซึ่งประกอบด้วยสองจำนวนคือ
ฐาน a และ
เลขชี้กำลัง (หรือ
กำลัง)
n การยกกำลังมีความหมายเหมือน
การคูณซ้ำ ๆ กัน คือ
a คูณกันเป็นจำนวน
n ตัว เมื่อ
n เป็น
จำนวนเต็มบวก
-
คล้ายกับการคูณซึ่งมีความหมายเหมือนการบวกซ้ำ ๆ กัน
-
โดยปกติเลขชี้กำลังจะแสดงเป็น
ตัวยกอยู่ด้านขวาของฐาน จำนวน
an อ่านว่า
a ยกกำลัง n หรือเพียงแค่
a กำลัง n ในภาษาอังกฤษอาจเรียกการยกกำลังบางตัวต่างออกไปเช่น
a2 จะเรียกว่า square และ
a3 เรียกว่า cube เป็นต้น เมื่อตัวยกไม่สามารถใช้ได้เช่นในข้อความ
แอสกี ก็มีรูปแบบการเขียนอย่างอื่นที่ใช้กันอาทิ
a^n และ a**n เป็นต้น
เลขยกกำลัง
an อาจนิยามให้
n เป็นจำนวนเต็มลบก็ได้เมื่อค่า
a ไม่เป็นศูนย์ ตามปกติไม่สามารถกระจายจำนวนจริง
a กับ
n ได้ทุก ๆ ค่าโดยธรรมชาติ แต่เมื่อฐาน
a เป็นจำนวนจริงบวก จำนวน
an สามารถนิยามเลขชี้กำลัง
n ได้ทุกค่าแม้แต่จำนวนเชิงซ้อนผ่าน
ฟังก์ชันเลขชี้กำลัง ez ฟังก์ชันตรีโกณมิติก็สามารถเขียนให้อยู่ในรูปของการยกกำลังได้
การยกกำลังที่มีเลขชี้กำลังเป็น
เมทริกซ์ใช้สำหรับการหาคำตอบของระบบ
สมการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้น
การยกกำลังก็ใช้งานในความรู้สาขาอื่นอย่างแพร่หลายเช่นเศรษฐศาสตร์ ชีววิทยา เคมี ฟิสิกส์ และวิทยาการคอมพิวเตอร์ ในการใช้งานคำนวณอย่างเช่น
ดอกเบี้ยทบต้น การเพิ่มประชากร จลนพลศาสตร์เคมี พฤติกรรมของ
คลื่น และ
การเข้ารหัสลับแบบกุญแจอสมมาตร เป็นต้น
เลขชี้กำลังเป็นจำนวนเต็ม
การดำเนินการยกกำลังด้วยเลขชี้กำลังที่เป็นจำนวนเต็ม เป็นข้อกำหนดที่จำเป็นของ
พีชคณิตมูลฐานเท่านั้น
เลขชี้กำลังเป็นจำนวนเต็มบวก
นิพจน์
a2 =
a·
a เรียกว่า square หมายถึง
รูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส (ดูเพิ่มที่
การยกกำลังสอง) เพราะรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่มีด้านยาวด้านละ
a หน่วย มี
พื้นที่เท่ากับ
a2 ตารางหน่วย
นิพจน์
a3 =
a·
a·
a เรียกว่า cube หมายถึง
ทรงลูกบาศก์ (ดูเพิ่มที่
การยกกำลังสาม) เพราะทรงลูกบาศก์ที่มีด้านยาวด้านละ
a หน่วย มี
ปริมาตรเท่ากับ
a3 ลูกบาศก์หน่วย
เลขชี้กำลังเป็นตัวบ่งบอกว่าจะนำฐานมาคูณกันกี่ตัว (ไม่ใช่คูณกันกี่ครั้ง) ตัวอย่างเช่น 3
5 = 3·3·3·3·3 = 243 ดังนี้ฐาน 3 ปรากฏ 5 ครั้งในการคูณเพราะเลขชี้กำลังเป็น 5; ค่า 243 เป็น
กำลัง ของ 3 คือผลลัพธ์ที่ได้จาก 3 ยกกำลัง 5
การยกกำลังที่มีเลขชี้กำลังเป็นจำนวนเต็มบวก อาจนิยามได้จาก
ความสัมพันธ์เวียนเกิด an+1 =
a·
an โดยให้เงื่อนไขเริ่มต้นเป็น
a1 =
a
เลขชี้กำลังเป็น 0 หรือ 1
เนื่องจาก
a1 หมายถึง
ผลคูณของ
a เพียง 1 ตัว ซึ่งถูกนิยามให้มีค่าเท่ากับ
a
จากความสัมพันธ์เวียนเกิดอีกรูปแบบหนึ่ง
an − 1 =
an/
a เมื่อสมมติให้
n = 1 จะได้
a0 = 1
หรือกล่าวอีกทางหนึ่งว่า กำหนดให้
n,
m, และ
n−
m เป็นจำนวนเต็มบวก (โดยที่
a ไม่เท่ากับศูนย์) จะได้ความสัมพันธ์
-
ในกรณีที่
n และ
m มีค่าเท่ากัน
-
เนื่องจากตัวเศษและตัวส่วนมีค่าเท่ากัน ดังนั้นจึงสามารถนิยามค่าของ
a0 = 1 นำไปสู่กฎสองประการ
- จำนวนใด ๆ ยกกำลัง 1 จะได้ตัวมันเอง
- จำนวนใด ๆ ที่ไม่เป็นศูนย์ ยกกำลัง 0 จะได้ 1 ซึ่งเป็นการตีความมาจากผลคูณว่าง สำหรับกรณี 00 ดูเพิ่มที่หัวข้อ 0 ยกกำลัง 0
สำหรับ
n และ
m ที่เป็นจำนวนเต็มไม่เป็นลบ (จำนวนเต็มบวกรวมทั้งศูนย์) เลขยกกำลัง
nm จะหมายถึง
ภาวะเชิงการนับ (cardinality) ของ
เซตของ
m สิ่งอันดับ (
m-tuple) ที่ได้จากเซตที่มีสมาชิก
n ตัว หรือพูดอีกนัยหนึ่งคือ เป็นจำนวนของคำที่มีตัวอักษร
m ตัว จากชุดตัวอักษร
n ตัว
05 = │ {} │ = 0 | ไม่มีห้าสิ่งอันดับ จากเซตว่าง |
14 = │ { (1, 1, 1, 1) } │ = 1 | มีสี่สิ่งอันดับ 1 ชุด จากเซตที่มีสมาชิก 1 ตัว |
23 = │ { (1, 1, 1), (1, 1, 2), (1, 2, 1), (1, 2, 2), (2, 1, 1), (2, 1, 2), (2, 2, 1), (2, 2, 2) } │ = 8 | มีสามสิ่งอันดับ 8 ชุด จากเซตที่มีสมาชิก 2 ตัว |
32 = │ { (1, 1), (1, 2), (1, 3), (2, 1), (2, 2), (2, 3), (3, 1), (3, 2), (3, 3) } │ = 9 | มีสองสิ่งอันดับ (คู่อันดับ) 9 ชุด จากเซตที่มีสมาชิก 3 ตัว |
41 = │ { (1), (2), (3), (4) } │ = 4 | มีหนึ่งสิ่งอันดับ 4 ชุด จากเซตที่มีสมาชิก 4 ตัว |
50 = │ { () } │ = 1 | มีศูนย์สิ่งอันดับ 1 ชุด จากเซตที่มีสมาชิก 5 ตัว |
ดูเพิ่มเติมที่หัวข้อ
การยกกำลังบนเซต
เลขชี้กำลังเป็นจำนวนเต็มลบ
จากนิยาม จำนวนใด ๆ ที่ไม่เป็นศูนย์ เมื่อยกกำลังด้วย −1 จะทำให้เกิดส่วนกลับหรือ
ตัวผกผันการคูณ
-
จึงสามารถนิยามว่า
-
เมื่อ
a เป็นจำนวนใด ๆ ที่ไม่เป็นศูนย์และ
n เป็นจำนวนเต็มบวก แต่สำหรับจำนวน 0 ยกกำลังจำนวนลบ จะทำให้เกิดกรณี
การหารด้วยศูนย์ จึงไม่มีการนิยาม
นิยามของ
a−n สำหรับค่า
a ใด ๆ ที่ไม่ใช่ศูนย์ ทำให้เอกลักษณ์
aman =
am+n เป็นจริงบนทุกช่วงจำนวนเต็มของ
m กับ
n (ทั้งบวก ลบ และศูนย์) จากเดิมเป็นจริงเฉพาะเมื่อ
m กับ
n เป็นจำนวนเต็มไม่เป็นลบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้เอกลักษณ์นี้โดยกำหนดให้
m =
−n จะทำให้
-
เมื่อ
a0 ได้นิยามเช่นนั้นแล้ว เป็นเหตุให้นำไปสู่การนิยาม
a−n = 1/
an ดังที่ได้กล่าวแล้ว
การยกกำลังที่มีเลขชี้กำลังเป็นจำนวนเต็มลบ อาจสามารถเขียนให้อยู่ในรูปของ
การหารซ้ำ ๆ จาก 1 ด้วยฐานก็ได้
-
เอกลักษณ์และสมบัติ
เอกลักษณ์สำคัญที่สุดของการยกกำลังที่สอดคล้องกับกรณีเลขชี้กำลังเป็นจำนวนเต็มคือ
-
-
ในขณะที่การบวกและการคูณมี
สมบัติการสลับที่ เช่น
2+3 = 5 = 3+2 และ
2·3 = 6 = 3·2 แต่การยกกำลังไม่มีสมบัติการสลับที่ เช่น
23 = 8 แต่
32 = 9
และเช่นเดียวกัน ในขณะที่การบวกและการคูณมี
สมบัติการเปลี่ยนหมู่ เช่น
(2+3) +4 = 9 = 2+ (3+4) และ
(2·3) ·4 = 24 = 2· (3·4) แต่การยกกำลังไม่มีสมบัติการเปลี่ยนหมู่ ตัวอย่างเช่น "2
3 ยกกำลัง 4" จะได้ผลลัพธ์เป็น 8
4 หรือเท่ากับ
4,096 แต่ "2 ยกกำลัง 3
4" จะได้ผลลัพธ์เป็น 2
81 หรือ
2,417,851,639,229,258,349,412,352 ถ้าหากเขียนเลขยกกำลังซ้อนกันโดยไม่ใส่
วงเล็บ ลำดับของการคำนวณจะทำจากตัวบนสุดมาก่อน นั่นคือ
-