Ưu đãi 50% Tặng trọn bộ Ebook 500 Bí kíp 9+ Toán THPT!
Toán Lớp 11 Chương VI: Hàm số mũ và Hàm số lôgarit 7277 lượt xem

Lý thuyết & Phương pháp giải Chuyên sâu: Luỹ thừa với số mũ thực (Toán 11 KNTT)

Khái niệm lũy thừa nguyên, hữu tỉ, thực, căn bậc n và các quy tắc so sánh lũy thừa theo chuẩn SGK Toán 11.

Chương VI: Hàm số mũ và Hàm số lôgarit • Toán 11 KNTT – Bài 18

BÀI 18: LUỸ THỪA VỚI SỐ MŨ THỰC

Mở rộng khái niệm luỹ thừa từ số mũ nguyên dương sang số mũ nguyên, số mũ hữu tỉ và số mũ thực; nắm vững các tính chất biến đổi, quy tắc so sánh và ứng dụng thực tiễn vào bài toán lãi kép, tăng trưởng dân số.

4 Cấp độ mở rộng
100% Chuẩn KNTT
Cơ số & Số mũ Căn bậc n Luỹ thừa số mũ hữu tỉ Luỹ thừa số mũ thực Bài toán Lãi kép
💰

Tình huống thực tiễn mở đầu: Công thức Lãi kép định kì

Ứng dụng toán học tài chính trong ngân hàng và đầu tư

Ngân hàng thường tính lãi suất cho khách hàng theo thể thức lãi kép theo định kì: nếu đến kì hạn người gửi không rút lãi ra thì tiền lãi được cộng dồn vào vốn của kì kế tiếp (lãi mẹ đẻ lãi con).

Nếu một người gửi số tiền $P$ với lãi suất $r$ mỗi kì thì sau $N$ kì, tổng số tiền người đó thu được (cả vốn lẫn lãi) được tính theo công thức:
$$A = P(1 + r)^N$$
Bài toán dẫn nhập (SGK): Bác Minh gửi tiết kiệm số tiền $100$ triệu đồng kì hạn $12$ tháng với lãi suất $6\%$/năm. Giả sử lãi suất không đổi, sau $3$ năm số tiền bác Minh thu được là: $$A = 100(1 + 0,06)^3 = 100 \times 1,06^3 \approx 119,1016 \text{ (triệu đồng)}.$$ Phép tính $1,06^3$ hay $(1+r)^N$ chính là phép toán luỹ thừa mà chúng ta sẽ nghiên cứu mở rộng trong bài này.
Lãi kép tiết kiệm ngân hàng

Mô hình tích luỹ tài chính tăng trưởng theo cấp số mũ

1

Luỹ Thừa Với Số Mũ Nguyên

Định nghĩa Luỹ thừa với số mũ nguyên

Cho $n$ là một số nguyên dương. Ta định nghĩa:

  • Với $a$ là số thực tuỳ ý: $$a^n = \underbrace{a \cdot a \cdots a}_{n \text{ thừa số}}$$
  • Với $a$ là số thực khác $0$ ($a \ne 0$): $$a^0 = 1; \qquad a^{-n} = \frac{1}{a^n}$$

Trong biểu thức $a^m$, ta gọi $a$ là cơ số, $m$ là số mũ.

CẢNH BÁO QUAN TRỌNG VỀ CƠ SỐ 0

Biểu thức $0^0$ và $0^{-n}$ ($n \in \mathbb{N}^*$) là hoàn toàn không có nghĩa!

Chỉ có $0^n = 0$ khi $n$ là số nguyên dương ($n \in \mathbb{N}^*$). Không tồn tại phép chia cho 0 nên $0^{-n} = \frac{1}{0^n}$ không xác định.

Robot cảnh báo 0^0 không có nghĩa

Các tính chất của luỹ thừa với số mũ nguyên

Với $a \ne 0, b \ne 0$ và $m, n$ là các số nguyên, ta có các đẳng thức chuẩn:

$$a^m \cdot a^n = a^{m+n}$$ Nhân hai luỹ thừa cùng cơ số
$$\frac{a^m}{a^n} = a^{m-n}$$ Chia hai luỹ thừa cùng cơ số
$$(a^m)^n = a^{m \cdot n}$$ Luỹ thừa của luỹ thừa
$$(ab)^m = a^m \cdot b^m$$ Luỹ thừa của một tích
$$\left(\frac{a}{b}\right)^m = \frac{a^m}{b^m}$$ Luỹ thừa của một thương
$$\left(\frac{a}{b}\right)^{-m} = \left(\frac{b}{a}\right)^m$$ Nghịch đảo số mũ âm

Quy tắc so sánh hai luỹ thừa cùng cơ số:

Trường hợp cơ số $a > 1$: $$a^m > a^n \iff m > n$$ (Cùng chiều với số mũ)
Trường hợp cơ số $0 < a < 1$: $$a^m > a^n \iff m < n$$ (Ngược chiều với số mũ)
Ví dụ 1 (SGK)

Tính giá trị của biểu thức:

$$A = \left(\frac{1}{2}\right)^{-8} \cdot 8^{-2} + (0,2)^{-4} \cdot 25^{-2}$$

Lời giải chi tiết:

Ta có $\left(\frac{1}{2}\right)^{-8} = 2^8$; $8^{-2} = \frac{1}{8^2} = \frac{1}{(2^3)^2} = \frac{1}{2^6}$.

$(0,2)^{-4} \cdot 25^{-2} = \frac{1}{0,2^4 \cdot (5^2)^2} = \frac{1}{(0,2 \cdot 5)^4} = \frac{1}{1^4} = 1$.

Vậy: $A = 2^8 \cdot \frac{1}{2^6} + 1 = 2^2 + 1 = 4 + 1 = 5$.

Luyện tập 1: Kí hiệu khoa học

Số liệu dạng kí hiệu khoa học có dạng $x = a \cdot 10^m$ với $1 \le a < 10, m \in \mathbb{Z}$:

a) Khối lượng Trái Đất: $$5\,980\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000 \text{ kg} = 5,98 \cdot 10^{24} \text{ kg}$$
b) Khối lượng hạt proton: $$0,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,001\,672\,62 \text{ kg} = 1,67262 \cdot 10^{-27} \text{ kg}$$
2

Luỹ Thừa Với Số Mũ Hữu Tỉ & Căn Bậc n

Khái niệm Căn bậc $n$ của một số thực

Cho số thực $a$ và số nguyên dương $n$ ($n \ge 2$).

Số $b$ được gọi là một căn bậc $n$ của số $a$ nếu: $$b^n = a$$

Quy tắc xác định căn bậc $n$:
  • Khi $n$ là số lẻ: Mọi số thực $a$ đều có duy nhất một căn bậc $n$, kí hiệu là $\sqrt[n]{a}$.
    Ví dụ: $\sqrt[3]{-8} = -2$, vì $(-2)^3 = -8$.
  • Khi $n$ là số chẵn:
    • Số âm không có căn bậc chẵn.
    • Số $0$ có đúng một căn bậc $n$ là $0$ ($\sqrt[n]{0} = 0$).
    • Mỗi số thực dương $a > 0$ có đúng hai căn bậc $n$ đối nhau: căn số học $\sqrt[n]{a}$ và giá trị âm $-\sqrt[n]{a}$.
Robot nhắc nhở căn bậc n của 0

Tính chất cơ bản của căn bậc $n$

$$\sqrt[n]{a} \cdot \sqrt[n]{b} = \sqrt[n]{ab}$$ Căn của một tích
$$\frac{\sqrt[n]{a}}{\sqrt[n]{b}} = \sqrt[n]{\frac{a}{b}} \quad (b > 0)$$ Căn của một thương
$$(\sqrt[n]{a})^m = \sqrt[n]{a^m}$$ Nâng lên luỹ thừa
$$\sqrt[n]{a^n} = \begin{cases} a & \text{khi } n \text{ lẻ} \\ |a| & \text{khi } n \text{ chẵn} \end{cases}$$ Khai căn luỹ thừa bậc $n$
$$\sqrt[k]{\sqrt[n]{a}} = \sqrt[k \cdot n]{a}$$ Căn lồng căn
$$\sqrt[n]{a^m} = \sqrt[nk]{a^{mk}} \quad (k \in \mathbb{N}^*)$$ Nhân cùng chỉ số căn & số mũ

Định nghĩa Luỹ thừa với số mũ hữu tỉ

Cho số thực dương $a$ ($a > 0$) và số hữu tỉ $r = \frac{m}{n}$, trong đó $m \in \mathbb{Z}, n \in \mathbb{N}^*$.

$$a^r = a^{\frac{m}{n}} = \sqrt[n]{a^m}$$

Lưu ý bắt buộc: Điều kiện cơ số $a > 0$ là bắt buộc để đảm bảo phép tính luỹ thừa với số mũ hữu tỉ luôn xác định và duy nhất!

Bạn nam lưu ý (căn n của a)^n = a
Ví dụ 4 (SGK)

Tính giá trị của các biểu thức:

a) $16^{\frac{3}{2}}$: $$16^{\frac{3}{2}} = \sqrt{16^3} = \sqrt{(4^2)^3} = \sqrt{(4^3)^2} = 4^3 = 64.$$
b) $8^{-\frac{2}{3}}$: $$8^{-\frac{2}{3}} = \sqrt[3]{8^{-2}} = \sqrt[3]{(2^3)^{-2}} = \sqrt[3]{(2^{-2})^3} = 2^{-2} = \frac{1}{4}.$$
Luyện tập 4 (SGK)

Rút gọn biểu thức ($x > 0, y > 0$):

$$A = \frac{x^{\frac{3}{2}}y + x y^{\frac{3}{2}}}{\sqrt{x} + \sqrt{y}}$$

Lời giải:

Ta viết $x^{\frac{3}{2}} = x \cdot x^{\frac{1}{2}} = x\sqrt{x}$ và $y^{\frac{3}{2}} = y\sqrt{y}$.

Tử thức: $xy(\sqrt{x} + \sqrt{y})$.

Do đó: $A = \frac{xy(\sqrt{x} + \sqrt{y})}{\sqrt{x} + \sqrt{y}} = xy$.

3

Luỹ Thừa Với Số Mũ Thực & Máy Tính Cầm Tay

Khái niệm Luỹ thừa với số mũ thực qua giới hạn

Cho $a$ là số thực dương ($a > 0$) và $\alpha$ là một số vô tỉ.

Xét dãy số hữu tỉ $(r_n)$ mà $\lim_{n \to +\infty} r_n = \alpha$. Khi đó dãy số $(a^{r_n})$ có giới hạn xác định và không phụ thuộc vào việc chọn dãy hữu tỉ $(r_n)$.

$$a^\alpha = \lim_{n \to +\infty} a^{r_n}$$

Ví dụ: Với $\sqrt{2} \approx 1,4142135...$, ta có các xấp xỉ liên tiếp $3^1; 3^{1,4}; 3^{1,41}; 3^{1,414}...$ tiến dần tới giá trị $3^{\sqrt{2}}$.

Robot nhắc nhở giới hạn dãy hữu tỉ
Tính chất của luỹ thừa với số mũ thực:

Với $a > 0, b > 0$ và $\alpha, \beta \in \mathbb{R}$, toàn bộ các công thức tính chất sau đều được bảo toàn nguyên vẹn:

$a^\alpha \cdot a^\beta = a^{\alpha + \beta}$
$\frac{a^\alpha}{a^\beta} = a^{\alpha - \beta}$
$(a^\alpha)^\beta = a^{\alpha \beta}$
$(ab)^\alpha = a^\alpha b^\alpha$
$\left(\frac{a}{b}\right)^\alpha = \frac{a^\alpha}{b^\alpha}$
$a^{-\alpha} = \frac{1}{a^\alpha}$
Bạn nữ gợi ý đưa về cùng cơ số
Ví dụ 6 (SGK)

Không dùng máy tính, hãy so sánh $8^{\sqrt{3}}$ và $4^{2\sqrt{3}}$:

Lời giải: Ta đưa về so sánh hai luỹ thừa cùng cơ số $2$:

• $8^{\sqrt{3}} = (2^3)^{\sqrt{3}} = 2^{3\sqrt{3}}$.

• $4^{2\sqrt{3}} = (2^2)^{2\sqrt{3}} = 2^{4\sqrt{3}}$.

Vì cơ số $2 > 1$ và $3\sqrt{3} < 4\sqrt{3}$ nên $2^{3\sqrt{3}} < 2^{4\sqrt{3}}$.

Vậy $8^{\sqrt{3}} < 4^{2\sqrt{3}}$.

Luyện tập 5 (SGK)

Rút gọn biểu thức ($a > 0$):

$$A = \frac{\left(a^{\sqrt{2}-1}\right)^{1+\sqrt{2}}}{a^{\sqrt{5}-1} \cdot a^{3-\sqrt{5}}}$$

Lời giải:

Tử thức: $a^{(\sqrt{2}-1)(\sqrt{2}+1)} = a^{2 - 1} = a^1 = a$.

Mẫu thức: $a^{(\sqrt{5}-1) + (3-\sqrt{5})} = a^2$.

Vậy: $A = \frac{a}{a^2} = \frac{1}{a} = a^{-1}$.

📱 Tính luỹ thừa và căn bậc n bằng máy tính cầm tay (Casio fx-580VN X)

Biểu thức cần tính Thao tác bấm phím Màn hình hiển thị Kết quả làm tròn (4 chữ số thập phân)
$\sqrt[5]{20,15}$ SHIFT x■ 5 ▶ 20.15 = 4.488875137 $\approx 4,4889$
$\sqrt[5]{320}$ SHIFT x■ 5 ▶ 320 = 3.169786385 $\approx 3,1698$
$15^{3,2}$ 15 x■ 3.2 = 5800.855256 $\approx 5\,800,8553$