กฎเลขยกกำลัง

เมื่อคูณหรือหารจำนวนที่เขียนเป็นกำลัง การนับจำนวนตัวประกอบช่วยรวมเลขชี้กำลังได้โดยไม่ทำให้เงื่อนไขของฐานหายไป

เข้าใจว่าฐาน aa ใน a4a^4 ถูกคูณซ้ำสี่ครั้ง และแยกเครื่องหมายลบที่อยู่นอกวงเล็บออกจากฐานในวงเล็บ

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. ฐานเดียวกันคูณและหารกันด้วยการรวมหรือหักลบเลขชี้กำลัง

  • นิยามการยกกำลังด้วยจำนวนเต็มบวก:
    • an=a⋅a⋅⋯⋅a⏟n ตัวa^n = \underbrace{a \cdot a \cdot \dots \cdot a}_{n \text{ ตัว}} โดยที่ aa คือฐาน และ n∈Z+n \in \mathbb{Z}^+ คือเลขชี้กำลัง
  • สมบัติการคูณและการหารฐานเดียวกัน:
    • การคูณฐานเดียวกัน: am⋅an=am+na^m \cdot a^n = a^{m+n} (นำเลขชี้กำลังมาบวกกัน เช่น 23⋅22=23+2=25=322^3 \cdot 2^2 = 2^{3+2} = 2^5 = 32)
    • การหารฐานเดียวกัน: aman=am−n\frac{a^m}{a^n} = a^{m-n} โดยมีเงื่อนไขบังคับ a≠0a \ne 0 (ไม่จำกัดว่า mm หรือ nn ตัวใดจะมากกว่า)
  • ข้อควรระวังเรื่องเครื่องหมายและวงเล็บ:
    • (−2)4=(−2)(−2)(−2)(−2)=16(-2)^4 = (-2)(-2)(-2)(-2) = 16 (ฐานคือ −2-2 ทั้งก้อน)
    • −24=−(2⋅2⋅2⋅2)=−16-2^4 = -(2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2) = -16 (ฐานคือ 22 ยกกำลังก่อนแล้วใส่เครื่องหมายลบข้างหน้า)
ภาพสองคอลัมน์แสดงว่า (−2)⁴=16 เพราะมีตัวประกอบ −2 สี่ตัว ส่วน −2⁴=−(2⁴)=−16 เพราะยกกำลัง 2 ก่อนแล้วจึงใช้เครื่องหมายลบที่อยู่นอกฐาน
ภาพเปรียบเทียบ (−2)⁴=16 กับ −2⁴=−16; สังเกตว่าวงเล็บกำหนดว่า −2 รวมอยู่ในฐานหรือไม่
  • จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
    • การเปรียบเทียบวงเล็บ: คอลัมน์ซ้ายแจกแจงฐาน (−2)(-2) สี่ตัวคูณกันได้ 1616 คอลัมน์ขวาแสดงเครื่องหมายลบนอกฐาน −(24)-(2^4) ได้ −16-16 ย้ำความแตกต่างอย่างชัดเจน
ส่วนคูณแสดงตัวประกอบฐาน 2 จำนวนสามตัวคูณกับสองตัว รวมเป็นห้าตัว จึงได้ 2³×2²=2⁵; ส่วนหารแสดง aᵐ/aⁿ=aᵐ⁻ⁿ และกำกับเงื่อนไข a≠0 โดยไม่จำกัดความสัมพันธ์ระหว่าง m กับ n
ภาพแทนรูปเดิมเรื่อง 2³×2²=2⁵ และเทียบกฎหารฐานเดียวกัน aᵐ/aⁿ=aᵐ⁻ⁿ เมื่อ a≠0
  • จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
    • ที่มาของการรวมกำลัง: ส่วนบนแสดงการคูณฐาน 2 ที่มีตัวประกอบ 3 ตัวกับ 2 ตัวรวมเป็น 5 ตัว (23×22=252^3 \times 2^2 = 2^5) ส่วนล่างสรุปสูตรหาร am/an=am−na^m / a^n = a^{m-n} พร้อมเน้นเงื่อนไข a≠0a \ne 0

2. กำลังของผลคูณ ผลหาร และกำลังซ้อน

  • กำลังของผลคูณและผลหาร:
    • (ab)n=anbn(ab)^n = a^n b^n
    • (ab)n=anbn\left(\frac{a}{b}\right)^n = \frac{a^n}{b^n} โดยที่ b≠0b \ne 0
    • เงื่อนไขเพิ่มเติม: ถ้า n≤0n \le 0 ต้องมีเงื่อนไข a≠0a \ne 0 และ b≠0b \ne 0 เพิ่มเติมเพื่อป้องกันส่วนเป็นศูนย์
    • ข้อสังเกต: ใช้รวมฐานได้เฉพาะเมื่อเลขชี้กำลังเท่ากัน เช่น 23⋅33=(2⋅3)3=632^3 \cdot 3^3 = (2 \cdot 3)^3 = 6^3 แต่ 23⋅322^3 \cdot 3^2 ไม่สามารถรวมเป็นฐานเดียวด้วยกฎนี้ได้
ส่วนบนแสดง (ab)ⁿ=aⁿbⁿ และกำกับว่าถ้า n เป็นลบ ต้องมี a,b≠0; ส่วนล่างแสดง 2³·3³=(2·3)³ เมื่อเลขชี้กำลังเท่ากัน ส่วน 2³·3² รวมเป็นกำลังฐานเดียวไม่ได้โดยกฎนี้
ภาพแสดง (ab)ⁿ=aⁿbⁿ พร้อมเงื่อนไขเมื่อ n เป็นลบ และเปรียบเทียบตัวอย่างฐานต่างกันที่เลขชี้กำลังเท่ากับกับไม่เท่ากัน
  • จุดสังเกตสำคัญในภาพ:

    • เงื่อนไขการแจกแจง: แสดงการกระจายกำลังไปยังผลคูณ (ab)n=anbn(ab)^n = a^n b^n พร้อมตัวอย่างเปรียบเทียบ 23⋅33=632^3 \cdot 3^3 = 6^3 เทียบกับพจน์ที่เลขชี้กำลังไม่เท่ากันซึ่งรวมไม่ได้
  • กำลังซ้อน:

    • (am)n=amn(a^m)^n = a^{mn} (นำเลขชี้กำลังมาคูณกัน ไม่ใช่บวกกัน)
    • หากมีเลขชี้กำลังติดลบ ฐาน aa ต้องไม่เท่ากับศูนย์ (a≠0a \ne 0)
แผนภาพระบุเลขชี้กำลังชั้นใน m และชั้นนอก n ใน (aᵐ)ⁿ แล้วชี้ให้คูณ m×n เพื่อได้ aᵐⁿ ไม่ได้บวกเลขชี้กำลัง; มีเงื่อนไขว่าถ้ามีเลขชี้กำลังติดลบ ต้องมี a≠0
ภาพแสดง (aᵐ)ⁿ=aᵐⁿ โดยชี้เลขชี้กำลังชั้นใน m และชั้นนอก n แล้วคูณเป็น mn; เมื่อมีเลขชี้กำลังลบต้องมี a≠0
  • จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
    • กลไกการคูณกำลัง: ชี้ตำแหน่งเลขชี้กำลังชั้นใน mm และชั้นนอก nn ที่ต้องนำมาคูณกันเป็น mnmn พร้อมเตือนเงื่อนไข a≠0a \ne 0 เมื่อกำลังติดลบ

3. ขยายสูตรสู่เลขชี้กำลังศูนย์และจำนวนลบ

  • สำหรับฐาน a≠0a \ne 0:
  • เลขชี้กำลังศูนย์:
    • a0=1a^0 = 1
    • ที่มา: จากสมบัติการหาร akak=ak−k=a0\frac{a^k}{a^k} = a^{k-k} = a^0 แต่ akak=1\frac{a^k}{a^k} = 1 ดังนั้นจึงนิยามให้ a0=1a^0 = 1
  • เลขชี้กำลังลบ:
    • a−k=1aka^{-k} = \frac{1}{a^k}
    • การมีเลขชี้กำลังติดลบหมายถึงการนำส่วนกลับของฐานมายกกำลังบวก
  • ข้อควรระวังสำคัญสำหรับฐานศูนย์ (a=0a = 0):
    • นิพจน์ 000^0 ไม่นิยาม ในระบบจำนวนจริง
    • นิพจน์ 0−k=10k=100^{-k} = \frac{1}{0^k} = \frac{1}{0} ไม่มีความหมาย ทางคณิตศาสตร์
ส่วนฐานไม่เป็นศูนย์แสดง a⁰=1 และ a⁻ᵏ=1/aᵏ เมื่อ a≠0; การหาร aᵏ/aᵏ=aᵏ⁻ᵏ=a⁰=1 อธิบายเหตุผลของกฎแรก ส่วนฐานศูนย์ระบุว่าเหตุผลนี้ไม่ได้กำหนด 0⁰=1 และ 0⁻ᵏ ไม่มีความหมายในจำนวนจริง
ภาพแสดงเหตุผล aᵏ/aᵏ=aᵏ⁻ᵏ=a⁰=1 เมื่อ a≠0 แล้วสรุป a⁻ᵏ=1/aᵏ พร้อมเตือนเรื่อง 0⁰ และ 0⁻ᵏ
  • จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
    • การพิสูจน์และข้อห้าม: แสดงที่มาของการหาร ak/ak=1→a0=1a^k/a^k = 1 \to a^0 = 1 และ a−k=1/aka^{-k} = 1/a^k เมื่อ a≠0a \ne 0 พร้อมเตือนเด็ดขาดว่าใช้กับฐานศูนย์ไม่ได้

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

นิพจน์มีฐานซ้ำหลายตำแหน่ง

สังเกตจากโจทย์: เห็นผลคูณ/ผลหารของกำลังฐานเดียวกันหรือกำลังซ้อน

เลือกวิธีคิด: วงฐานเดียวกันก่อน แล้วรวม/ลบ/คูณเลขชี้กำลังตามโครงสร้าง; จดฐานที่ถูกห้ามเป็นศูนย์ก่อนใช้กฎ

ต้องจัดรูปคำตอบให้ไม่มีเลขชี้กำลังลบ

สังเกตจากโจทย์: เลขชี้กำลังติดลบหรือพจน์อยู่ในตัวส่วน

เลือกวิธีคิด: ใช้ a−k=1/aka^{-k}=1/a^k เมื่อ a≠0a\ne0 แล้วตรวจว่าการย้ายพจน์รักษาค่าเดิมและโดเมนเดิม

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด

ตัวอย่าง 1 · รวมกำลังและตรวจด้วยค่าตรง

จงหาค่า 25⋅2−220\dfrac{2^5\cdot2^{-2}}{2^0}

  1. ทุกพจน์มีฐาน 2 ซึ่งไม่เป็นศูนย์ จึงใช้กฎคูณแล้วบวกเลขชี้กำลัง และใช้กฎหารแล้วลบเลขชี้กำลังได้
  2. เลขชี้กำลังสุทธิเป็น 5+(−2)−0=35+(-2)-0=3 จึงได้ 232^3
  3. ตรวจจากค่ากำลัง: 25=322^5=32, 2−2=1/42^{-2}=1/4, 20=12^0=1 ดังนั้น (32)(1/4)/1=8(32)(1/4)/1=8

คำตอบ: 88

ตรวจเหตุผล: ได้ 23=82^3=8 ตรงกับการแทนค่าทีละส่วน; ฐาน 2 ไม่เป็นศูนย์จึงไม่มีข้อห้ามจากเลขชี้กำลังลบ

ตัวอย่าง 2 · จัดรูปเมื่อมีตัวแปรเป็นฐาน

เมื่อ x≠0x\ne0 จงจัดรูป (3x−2)29x−1\dfrac{(3x^{-2})^2}{9x^{-1}} ให้ไม่มีเลขชี้กำลังลบ

  1. ต้องระบุ x≠0x\ne0 ก่อน เพราะทั้ง x−2x^{-2} และ x−1x^{-1} หมายถึงส่วนกลับ
  2. ยกกำลังทั้งผลคูณ: (3x−2)2=9x−4(3x^{-2})^2=9x^{-4}. จากนั้นหารด้วย 9x−19x^{-1} แล้วตัด 9 และลบเลขชี้กำลัง: x−4−(−1)=x−3x^{-4-(-1)}=x^{-3}
  3. เปลี่ยนเลขชี้กำลังลบเป็นส่วนกลับได้ 1/x31/x^3 โดยเงื่อนไข x≠0x\ne0 ยังอยู่

คำตอบ: 1x3\dfrac{1}{x^3} เมื่อ x≠0x\ne0

ตรวจเหตุผล: แทน x=2x=2 ในรูปเดิมได้ (3/4)2/(9/2)=1/8(3/4)^2/(9/2)=1/8; รูปใหม่ให้ 1/23=1/81/2^3=1/8