۱- برای هر عبارت دو پاسخ داده شده است. پاسخ درست را با ذکر دلیل مشخص کنید.
پاسخ تشریحی:
* **الف) $۳^{-۲}$ پاسخ درست: $ \frac{۱}{۹} $**
* **دلیل:** قانون توان منفی $a^{-n} = \frac{۱}{a^n}$ است. پس $۳^{-۲} = \frac{۱}{۳^۲} = \frac{۱}{۹}$. پاسخ دیگر ($ -۶ $) از اشتباه ضرب کردن پایه در توان به دست آمده است.
* **ب) $۳^{-۱}$ پاسخ درست: $ \frac{۱}{۳} $**
* **دلیل:** طبق قانون توان منفی، $۳^{-۱} = \frac{۱}{۳^۱} = \frac{۱}{۳}$. توان منفی عدد را قرینه نمیکند، بلکه آن را معکوس میکند.
* **ج) $۳^{-۱} \times ۴^{-۱}$ پاسخ درست: $۱۲^{-۱}$**
* **دلیل:** طبق قانون ضرب توانهای با توان یکسان $a^n \times b^n = (ab)^n$، داریم: $۳^{-۱} \times ۴^{-۱} = (۳ \times ۴)^{-۱} = ۱۲^{-۱}$.
* **د) $۳^{-۱} + ۴^{-۱}$ پاسخ درست: $\frac{۱}{۳} + \frac{۱}{۴}$**
* **دلیل:** هیچ قانونی برای جمع کردن پایهی توانها وجود ندارد. باید هر عبارت را جداگانه محاسبه و سپس جمع کرد: $۳^{-۱} + ۴^{-۱} = \frac{۱}{۳} + \frac{۱}{۴}$.
* **ه) $۵^{-۲}$ پاسخ درست: $\frac{۱}{۲۵}$**
* **دلیل:** $۵^{-۲} = \frac{۱}{۵^۲} = \frac{۱}{۲۵}$.
* **و) $(-۲)^۳$ پاسخ درست: $-۸$**
* **دلیل:** $(-۲)^۳ = (-۲) \times (-۲) \times (-۲) = -۸$. پاسخ دیگر کاملاً بیارتباط است.
۲- جرم یک اتم هیدروژن حدود $۱۰^{-۲۴}$ گرم است. جرم یک وزنه ۱۰۰ کیلوگرمی چند برابر جرم یک اتم هیدروژن است؟
پاسخ تشریحی:
برای مقایسه، ابتدا باید واحدهای جرم را یکسان کنیم. هر دو را به گرم تبدیل میکنیم.
* **جرم اتم هیدروژن:** $۱۰^{-۲۴}$ گرم
* **جرم وزنه:** ۱۰۰ کیلوگرم
**مرحله ۱: تبدیل کیلوگرم به گرم**
میدانیم که هر کیلوگرم برابر ۱۰۰۰ (یعنی $۱۰^۳$) گرم است.
$ ۱۰۰ \text{ کیلوگرم} = ۱۰۰ \times ۱۰۰۰ \text{ گرم} = ۱۰^۲ \times ۱۰^۳ \text{ گرم} = ۱۰^{۲+۳} = ۱۰^۵ \text{ گرم} $
**مرحله ۲: محاسبهی نسبت (چند برابر بودن)**
برای یافتن اینکه جرم وزنه چند برابر جرم اتم است، جرم وزنه را بر جرم اتم تقسیم میکنیم:
$ \frac{\text{جرم وزنه}}{\text{جرم اتم}} = \frac{۱۰^۵}{۱۰^{-۲۴}} $
با استفاده از قانون تقسیم توانها ($ \frac{a^m}{a^n} = a^{m-n} $):
$ ۱۰^{۵ - (-۲۴)} = ۱۰^{۵ + ۲۴} = ۱۰^{۲۹} $
**نتیجه:** جرم وزنه ۱۰۰ کیلوگرمی، $۱۰^{۲۹}$ برابر جرم یک اتم هیدروژن است.
۳- عددهای $۱۶^۲$ و $۸^۴$ و $۲^{۱۱}$ را با یکدیگر مقایسه کنید.
پاسخ تشریحی:
برای مقایسهی این اعداد، بهترین روش این است که همهی آنها را بر اساس یک **پایهی مشترک** بنویسیم. چون ۱۶ و ۸ هر دو از توانهای عدد ۲ هستند، پایهی مشترک را ۲ انتخاب میکنیم.
* **تبدیل $۱۶^۲$:**
$ ۱۶ = ۲^۴ \Rightarrow ۱۶^۲ = (۲^۴)^۲ = ۲^{۴ \times ۲} = ۲^۸ $
* **تبدیل $۸^۴$:**
$ ۸ = ۲^۳ \Rightarrow ۸^۴ = (۲^۳)^۴ = ۲^{۳ \times ۴} = ۲^{۱۲} $
* **عدد سوم:** $ ۲^{۱۱} $
حالا سه عدد $ ۲^۸, ۲^{۱۲}, ۲^{۱۱} $ را با هم مقایسه میکنیم. چون پایهها (۲) بزرگتر از ۱ هستند، هر عددی که توان بزرگتری داشته باشد، بزرگتر است.
با مقایسهی توانها: $ ۸ < ۱۱ < ۱۲ $
بنابراین، ترتیب اعداد به صورت زیر است:
$ ۲^۸ < ۲^{۱۱} < ۲^{۱۲} $
و با جایگذاری اعداد اصلی:
$ ۱۶^۲ < ۲^{۱۱} < ۸^۴ $
۴- در جاهای خالی علامت <, >, یا = قرار دهید:
پاسخ تشریحی:
* **الف) $۳^{-۱} > ۳^{-۲}$**
* $۳^{-۱} = \frac{۱}{۳}$ و $۳^{-۲} = \frac{۱}{۹}$. چون $ \frac{۱}{۳} > \frac{۱}{۹} $ است.
* **ب) $۲^۰ > ۲^{-۵}$**
* $۲^۰=۱$ و $۲^{-۵} = \frac{۱}{۳۲}$. چون $۱ > \frac{۱}{۳۲}$ است.
* **ج) $(۰/۵)^{-۲} > (۰/۶)^{-۲}$**
* $(۰.۵)^{-۲} = (\frac{۱}{۲})^{-۲} = ۲^۲ = ۴$. و $(۰.۶)^{-۲} = (\frac{۶}{۱۰})^{-۲} = (\frac{۱۰}{۶})^۲ = \frac{۱۰۰}{۳۶} \approx ۲.۷۷$. چون $۴ > ۲.۷۷$ است.
* **د) $۵^{-۱} > ۰$**
* $۵^{-۱} = \frac{۱}{۵}$ که عددی مثبت و بزرگتر از صفر است.
* **ه) $(\frac{-۸}{۱۵})^۰ = ۱$**
* هر عدد غیرصفر به توان صفر برابر با ۱ است.
* **و) $-۵^{-۲} < (-۵)^{-۲}$**
* $-۵^{-۲} = -(\frac{۱}{۵^۲}) = -\frac{۱}{۲۵}$ (یک عدد منفی).
* $(-۵)^{-۲} = \frac{۱}{(-۵)^۲} = \frac{۱}{۲۵}$ (یک عدد مثبت). یک عدد منفی همیشه از یک عدد مثبت کوچکتر است.
۵- در هر یک از تساویهای زیر x چه عددی است؟
الف) $۵^x \times ۵^{-۳} = ۵^۴$
ب) $۵^x \div ۵^{-۳} = ۵^۴$
پاسخ تشریحی:
**الف) $۵^x \times ۵^{-۳} = ۵^۴$**
* **قانون ضرب توانها:** پایهها را نوشته و توانها را جمع میکنیم.
$ ۵^{x + (-۳)} = ۵^۴ \Rightarrow ۵^{x-۳} = ۵^۴ $
* چون پایهها برابرند، توانها نیز باید برابر باشند:
$ x - ۳ = ۴ \Rightarrow x = ۷ $
**ب) $۵^x \div ۵^{-۳} = ۵^۴$**
* **قانون تقسیم توانها:** پایهها را نوشته و توانها را از هم کم میکنیم.
$ ۵^{x - (-۳)} = ۵^۴ \Rightarrow ۵^{x+۳} = ۵^۴ $
* چون پایهها برابرند، توانها نیز باید برابر باشند:
$ x + ۳ = ۴ \Rightarrow x = ۱ $
۶- کدام یک درست و کدام یک نادرست است؟
پاسخ تشریحی:
* **الف) $a^۴ \times a^۵ = a^{۲۰}$ (نادرست)**. قانون صحیح: $a^۴ \times a^۵ = a^{۴+۵} = a^۹$.
* **ب) $a^۴ \times a^۵ = a^۹$ (درست)**. طبق قانون ضرب توانها، توانها جمع میشوند.
* **ج) $(a^m)^n = (a^n)^m$ (درست)**. هر دو طرف برابر با $a^{mn}$ هستند.
* **د) $۳^{-۲} = -۹$ (نادرست)**. مقدار صحیح: $۳^{-۲} = \frac{۱}{۳^۲} = \frac{۱}{۹}$.
* **ه) $(-۳)^۰ + (۳^{-۱})^{-۱} = ۴$ (درست)**. $(-۳)^۰ = ۱$ و $(۳^{-۱})^{-۱} = ۳^{(-۱)(-۱)} = ۳^۱=۳$. حاصل جمع $۱+۳=۴$ است.
* **و) $۳^{-۱} \times ۴^{-۱} = ۱۲^{-۲}$ (نادرست)**. مقدار صحیح: $۳^{-۱} \times ۴^{-۱} = (۳ \times ۴)^{-۱} = ۱۲^{-۱}$.
* **ز) $۶^{-۲} = -\frac{۲}{۶}$ (نادرست)**. مقدار صحیح: $۶^{-۲} = \frac{۱}{۶^۲} = \frac{۱}{۳۶}$.
* **ح) $۳^{-۱۰} < ۳^{-۱}$ (درست)**. $۳^{-۱۰} = \frac{۱}{۳^{۱۰}}$ و $۳^{-۱} = \frac{۱}{۳}$. چون $۳^{۱۰}$ بسیار بزرگتر از ۳ است، معکوس آن بسیار کوچکتر است.
۷- حاصل هر عبارت را به دست آورید.
پاسخ تشریحی:
* **الف) $(\frac{۱}{۳})^{-۱۰} \times ۲۷^{-۳}$**
پایهها را به ۳ تبدیل میکنیم: $ (۳^{-۱})^{-۱۰} \times (۳^۳)^{-۳} = ۳^{۱۰} \times ۳^{-۹} = ۳^{۱۰-۹} = ۳^۱ = ۳ $
* **ب) $(۰/۲)^{-۴} \times ۲۵^{-۲}$**
پایهها را به ۵ تبدیل میکنیم: $ (\frac{۱}{۵})^{-۴} \times (۵^۲)^{-۲} = (۵^{-۱})^{-۴} \times ۵^{-۴} = ۵^۴ \times ۵^{-۴} = ۵^{۴-۴} = ۵^۰ = ۱ $
* **ج) $(\frac{۱۵}{۱۴})^{-۴} \times (\frac{۴۵}{۲۸})^۴$**
از قوانین توان استفاده میکنیم: $ (\frac{۱۴}{۱۵})^۴ \times (\frac{۴۵}{۲۸})^۴ = (\frac{۱۴}{۱۵} \times \frac{۴۵}{۲۸})^۴ = (\frac{۱۴}{۲۸} \times \frac{۴۵}{۱۵})^۴ = (\frac{۱}{۲} \times ۳)^۴ = (\frac{۳}{۲})^۴ = \frac{۸۱}{۱۶} $
* **د) $(-۵^{-۲})^{-۱}$**
ابتدا داخل پرانتز: $ -۵^{-۲} = -\frac{۱}{۵^۲} = -\frac{۱}{۲۵} $. سپس: $ (-\frac{۱}{۲۵})^{-۱} = (-\frac{۲۵}{۱})^۱ = -۲۵ $
۸- عددهای داده شده را از کوچک به بزرگ مرتب کنید.
پاسخ تشریحی:
ابتدا مقدار هر یک از اعداد را محاسبه میکنیم:
* $ -۳^{-۴} = -\frac{۱}{۳^۴} = -\frac{۱}{۸۱} $
* $ ۱^{-۹۰} = ۱ $
* $ (-۱)^{۲۱} = -۱ $ (چون توان فرد است)
* $ (-۷)^۲ = ۴۹ $
* $ (-\frac{۱}{۲})^{-۲} = (-۲)^۲ = ۴ $
* $ ۳^۲ = ۹ $
* $ ۵^{-۳} = \frac{۱}{۵^۳} = \frac{۱}{۱۲۵} $
* $ ۲^{-۳} = \frac{۱}{۲^۳} = \frac{۱}{۸} $
حالا مقادیر عددی را مرتب میکنیم:
$ -۱ < -\frac{۱}{۸۱} < \frac{۱}{۱۲۵} < \frac{۱}{۸} < ۱ < ۴ < ۹ < ۴۹ $
و در نهایت، اعداد اصلی را به همان ترتیب مینویسیم:
$ (-۱)^{۲۱} < -۳^{-۴} < ۵^{-۳} < ۲^{-۳} < ۱^{-۹۰} < (-\frac{۱}{۲})^{-۲} < ۳^۲ < (-۷)^۲ $
۱۰- حاصل عبارتهای زیر را به دست آورید.
پاسخ تشریحی:
**الف) $ \frac{(\frac{۲}{۳})^۳ \times (\frac{۸}{۳})^{-۳}}{-۲۵ \times ۲^{-۸}} $**
* **سادهسازی صورت:** $ (\frac{۲}{۳})^۳ \times (\frac{۳}{۸})^۳ = (\frac{۲}{۳} \times \frac{۳}{۸})^۳ = (\frac{۱}{۴})^۳ = \frac{۱}{۶۴} $
* **سادهسازی مخرج:** $ -۲۵ \times ۲^{-۸} = -۲۵ \times \frac{۱}{۲^۸} = -\frac{۲۵}{۲۵۶} $
* **تقسیم نهایی:** $ \frac{\frac{۱}{۶۴}}{-\frac{۲۵}{۲۵۶}} = \frac{۱}{۶۴} \times \frac{-۲۵۶}{۲۵} = \frac{-۴}{۲۵} $
**ب) $-[-(\frac{۴}{۳})^{-۲}]^{-۱}$**
* **داخلیترین توان:** $ (\frac{۴}{۳})^{-۲} = (\frac{۳}{۴})^۲ = \frac{۹}{۱۶} $
* **داخل کروشه:** $ -(\frac{۹}{۱۶}) = -\frac{۹}{۱۶} $
* **توان $ -۱ $:** $ [-\frac{۹}{۱۶}]^{-۱} = -\frac{۱۶}{۹} $
* **منفی بیرونی:** $ -(-\frac{۱۶}{۹}) = \frac{۱۶}{۹} $