Evaluarea Națională

Mulțimea ℚ: reprezentare, operații, puterea cu exponent întreg

Mulțimea numerelor raționale este Q={abaZ, bZ}\mathbb{Q}=\left\{\dfrac{a}{b}\mid a\in\mathbb{Z},\ b\in\mathbb{Z}^*\right\}, adică mulțimea tuturor fracțiilor (pozitive, negative sau nule) — inclusiv numerele întregi (care se pot scrie ca a1\frac{a}{1}) și fracțiile zecimale finite sau periodice. Fiecare număr rațional poate fi reprezentat printr-un punct pe axa numerelor, are un opus (numărul cu semn schimbat) și un modul (distanța la 00, întotdeauna 0\ge 0), exact ca la numerele întregi.

Compararea numerelor raționale se face aducându-le la aceeași formă (fracții cu numitor comun sau fracții zecimale), apoi comparând ca la numerele întregi: orice pozitiv >0>>0> orice negativ, iar între două numere de același semn se compară modulele (la cele pozitive, e mai mare cel cu modulul mai mare; la cele negative, e mai mare cel cu modulul mai mic).

Operațiile cu numere raționale (adunare, scădere, înmulțire, împărțire) urmează aceleași reguli de semn ca la numerele întregi și aceleași tehnici de calcul cu fracții (numitor comun la adunare/scădere, produsul termenilor la înmulțire, înmulțirea cu inversa la împărțire). Aceste operații au proprietăți: adunarea și înmulțirea sunt comutative și asociative, au element neutru (00, respectiv 11), orice număr rațional are un opus, iar orice număr rațional nenul are un invers (inversul lui ab\frac{a}{b} este ba\frac{b}{a}); înmulțirea este distributivă față de adunare/scădere.

Puterea cu exponent întreg: pentru aQa\in\mathbb{Q}^* și nNn\in\mathbb{N}^*, definim an=1ana^{-n}=\dfrac{1}{a^n}. Astfel, o putere cu exponent negativ se transformă în inversul puterii cu exponent pozitiv opus: (ab)n=(ba)n\left(\dfrac{a}{b}\right)^{-n}=\left(\dfrac{b}{a}\right)^n. Toate regulile de calcul cu puteri rămân valabile și pentru exponenți întregi (nu doar naturali): aman=am+na^m\cdot a^n=a^{m+n}, am:an=amna^m:a^n=a^{m-n}, (am)n=amn(a^m)^n=a^{mn}, pentru aQa\in\mathbb{Q}^* și m,nZm,n\in\mathbb{Z}.

Semnul unei puteri cu bază negativă se stabilește după paritatea exponentului, la fel ca la Z\mathbb{Z}: (2)2=1(2)2=14>0(-2)^{-2}=\dfrac{1}{(-2)^2}=\dfrac{1}{4}>0, dar (2)3=1(2)3=18<0(-2)^{-3}=\dfrac{1}{(-2)^3}=-\dfrac{1}{8}<0. Important: exponentul negativ nu face rezultatul negativ — el indică doar trecerea la invers.

O aplicație frecventă a puterilor cu exponent negativ este scrierea numerelor zecimale mici: 0,1=1010{,}1=10^{-1}, 0,01=1020{,}01=10^{-2}, 0,001=1030{,}001=10^{-3}, ceea ce permite scrierea compactă a unor valori precum 0,0007=71040{,}0007=7\cdot 10^{-4}.

În expresii care combină fracții, numere întregi și puteri cu exponent întreg, se respectă aceeași ordine a operațiilor: paranteze, puteri, înmulțiri/împărțiri, adunări/scăderi. La ecuațiile de forma ax=aka^x=a^k (cu baza aa fixată, diferită de 00, 11 și 1-1), egalitatea puterilor implică egalitatea exponenților (x=kx=k) — tehnică folosită pentru a determina exponenți necunoscuți, inclusiv negativi.

Formule

  • Puterea cu exponent negativ: an=1an (a0, nN)a^{-n}=\frac{1}{a^n}\ (a\ne 0,\ n\in\mathbb{N}^*)

  • Puterea unei fracții cu exponent negativ: (ab)n=(ba)n\left(\frac{a}{b}\right)^{-n}=\left(\frac{b}{a}\right)^n

  • Reguli de calcul (exponenți întregi): aman=am+n,am:an=amn,(am)n=amna^m\cdot a^n=a^{m+n}, \quad a^m:a^n=a^{m-n}, \quad (a^m)^n=a^{mn}

  • Inversul unui număr rațional nenul: abba=1\frac{a}{b}\cdot\frac{b}{a}=1

Exemple rezolvate

Exemplul 1

Calculați: (23)2316\left(\dfrac{2}{3}\right)^{-2} - 3^{-1}\cdot 6.

(23)2=(32)2=94\left(\dfrac{2}{3}\right)^{-2}=\left(\dfrac{3}{2}\right)^2=\dfrac{9}{4}.

316=136=23^{-1}\cdot 6=\dfrac{1}{3}\cdot 6=2.

Rezultat: 942=9484=14\dfrac{9}{4}-2=\dfrac{9}{4}-\dfrac{8}{4}=\dfrac{1}{4}.

Exemplul 2

Determinați valoarea lui x=(5355):54x=\left(5^3\cdot 5^{-5}\right):5^{-4}.

Aplicăm regula produsului de puteri cu aceeași bază: 5355=53+(5)=525^3\cdot 5^{-5}=5^{3+(-5)}=5^{-2}.

Aplicăm regula împărțirii puterilor cu aceeași bază: 52:54=52(4)=52=255^{-2}:5^{-4}=5^{-2-(-4)}=5^{2}=25.

Deci x=25x=25.

Greșeli frecvente

  • Se crede că $a^{-n}$ este un număr negativ, confundând exponentul negativ cu semnul rezultatului (de fapt $a^{-n}=\frac{1}{a^n}$, care poate fi pozitiv sau negativ, după semnul lui $a^n$).
  • La ridicarea unei fracții la o putere cu exponent negativ, se uită să se răstoarne fracția (se calculează $\left(\frac{2}{3}\right)^{-2}$ ca $\frac{4}{9}$ în loc de $\frac{9}{4}$).
  • La aplicarea regulilor de calcul cu puteri cu exponenți întregi, se greșește la scăderea exponenților negativi (ex: $5^{-2}:5^{-4}$ calculat ca $5^{-6}$ în loc de $5^{-2-(-4)}=5^{2}$).
  • Se aplică regulile de calcul cu puteri și pentru baze diferite (ex: $2^{-3}\cdot 3^{-2}$ tratat greșit ca $6^{-5}$).

Pe scurt

  • Q={abaZ,bZ}\mathbb{Q}=\{\frac{a}{b}\mid a\in\mathbb{Z}, b\in\mathbb{Z}^*\}; opus, modul, comparare — la fel ca la Z\mathbb{Z}.
  • Adunarea/înmulțirea sunt comutative, asociative, au element neutru; fiecare număr are opus, fiecare număr nenul are invers.
  • an=1ana^{-n}=\frac{1}{a^n}; (ab)n=(ba)n\left(\frac{a}{b}\right)^{-n}=\left(\frac{b}{a}\right)^n.
  • Regulile de calcul cu puteri (aman=am+na^m\cdot a^n=a^{m+n} etc.) rămân valabile pentru exponenți întregi, la aceeași bază nenulă.

Exersează această lecție →

Grile și probleme cu feedback imediat pe barem.