Neliöjuuri

Wikipedia

Neliöjuuri luvusta $x$ (merkitään $\sqrt {x}$ ) on se epänegatiivinen luku, joka itsellä kerrottunaan eli neliöitynä on $x$ . Neliöjuuri voidaan määritellä eri lukualueilla. Ei-negatiivisilla $x$ :n arvoilla neliöjuuri on funktion $f (x) = x 2$ käänteisfunktio $f(x)=x^\frac{1}{2}$ . Negatiivisilla reaaliluvuilla ei ole neliöjuurta reaalilukujen joukossa, vaan kyseinen neliöjuuri on aina imaginääriluku. Kompleksiluvun neliöjuuri on kompleksiluku.

Esimerkiksi

$\sqrt {9} = 3$ , koska $3^2 = 3\times 3 = 9$ .

$\sqrt {-9} = 3i$ , koska $(3i)^2 = 3^2\times{i^2} = 9 \times(-1) = -9$ .

[muokkaa] Historiaa

Neliöjuuren symbolia $\sqrt{\;}$ käytettiin ensimmäisen kerran 1500-luvulla. Se on oletettavasti muotoutunut pienestä r-kirjaimesta. Latinan sana radix tarkoittaa juurta.

[muokkaa] Esimerkkejä

$\sqrt{100} = \sqrt{10^2} = |10| = 10$

$\sqrt{9} = \sqrt{3^2} = |3| = 3$

$\sqrt{4} = \sqrt{2^2} = |2| = 2$

$\sqrt{1} = \sqrt{1^2} = |1| = 1$

[muokkaa] Ominaisuuksia

Olkoot a ja b ei-negatiivisia reaalilukuja.

$\sqrt{ab} = \sqrt{a}\sqrt{b}$

$a\sqrt{b} = \sqrt{a^2b}$

$\sqrt{\frac{a}{b}} = \frac{\sqrt{a}}{\sqrt{b}}$

$\sqrt{a} = a^\frac{1}{2}$

[muokkaa] Miten laskea neliöjuuren arvo?

Neliöjuurelle voi saada likiarvoja erilaisten kaavojen ja algoritmien avulla.

[muokkaa] Iteraatio

Esimerkiksi babylonialaiset käyttivät seuraavaa algoritmia √x:lle:

Valitse mielivaltainen positiivinen luku a. Mitä lähempänä juurta sen parempi.
Valitse uudeksi luvuksi a lukujen a ja x/a aritmeettinen keskiarvo
Palaa kohtaan 2.

Lasketaan tämän avulla likiarvo neliöjuuri kahdelle, √2:

Valitaan esimerkiksi a₀ = 1.

Lasketaan c = (a₀ + 2/a₀)/2 = (1+2)/2 = 3/2 = 1,5.

Valitaan nyt a₁ = 1,5.

Lasketaan c = (a₁ + 2/a₁)/2 = (3/2 + 4/3)/2 = 17/12

Valitaan a₂ = 17/12

Lasketaan c = (a₂ + 2/a₂)/2 = (17/12 + 24/17)/2 = 577/408

Valitaan a₃ = 577/408 ≈ 1,41421

Jatketaan loputtomiin. Neljän askeleen jälkeen saatiin likiarvo 1,41421, missä on viisi oikeaa desimaalia.

Tämä algoritmi voidaan kirjoittaa myös lukujonomuodossa: $a_0 = 2, a_{n+1} = \frac{a_n + \frac{2}{a_n}}{2}$ Määritelty lukujono (a_n) lähestyy arvoa √2, kun n lähestyy ääretöntä.

[muokkaa] Haarukointi

Haarukoinnilla tarkoitetaan välien puolittamista siten, että haluttu arvo on aina jommassa kummassa puolikkaassa. Haetaan esimerkkinä taas likiarvo luvulle √2.

Valitaan lähtöväliksi esimerkiksi, [a,b] = [1 ; 2]. Välin keskipisteeksi saadaan c = 1,5.

Nyt meillä on kaksi väliä: [a,c] = [1 ; 1,5] ja [c,d] = [1,5 ; 2]. Koska (1,5)²=2,25 >2, √2 ∈ [1 ; 1,5].

Valitaan uudeksi väliksi siis [a₁,b₁] = [1 ; 1,5]. Välin keskipiste c₁ = 1,25.

Jälleen kaksi väliä: [a₁,c₁] = [1 ; 1,25], [c₁,b₁] =[1,25 ; 1,5]. Koska (1,25)² = 1,5625 < 2, √2 ∈ [1,25 ; 1,5].

Valitaan uudeksi väliksi siis [a₂,b₂] = [1,25 ; 1,5]. Välin keskipiste c₂ = 1,375.

kaksi väliä: [a₂,c₂] = [1,25 ; 1,375], [c₂,b₂] =[1,375 ; 1,5]. Koska (1,375)² ≈ 1,89 < 2, √2 ∈ [1,375 ; 1,5].

Jatkamalla näin lähestytään arvoa (laskin) √2 ≈ 1,41421...

[muokkaa] Kaavalla arvioiminen

Neliöjuurta voi arvioida algebrallisella kaavalla.

Tiedetään, että (a+ (b/2a))² = a² + b + (b²/4a²).

Kun a >0 ja b>0 ja c = a² + b, saadaan luvun c neliöjuurelle arvion √c =
√(a² + b) ≈ √(a² + b + (b²/4a²)) =
√((a + (b/2a))²) = a + (b/2a).

Kaava (1) √(a² + b) ≈ a + (b/2a)

Esimerkiksi: √7 = √(2²+3) ≈ 2 + 3/(2*2) = 11/4 = 2,75.

Toinen kaava (2) √(a² - b) ≈ a - (b/2a).

Toistamalla tätä menettelyä ja valitsemalla kaava (1), jos saatu juuri on liian pieni ja kaava (2), jos liian suuri, saadaan parempia ja parempia rationaalisia likiarvoja neliöjuuren arvolle.

Esimerkin jatkoa:

Koska (2,75)² > (2,7)² = 7,29 > 7, valitsemme kaava (2).

√7 = √((11/4)² - (9/16)) ≈ (11/4) - (9/16) / (22/4) = 233/88 ≈ 2,648. jne. (laskin) √7 ≈ 2,64575...

[muokkaa] "Juurikulmassa"

Neliöjuuren ja muiden juurten voi laskea tuttua jakolaskualgoritmia muistuttavalla tavalla. "Juurikulma" perustuu tutulle identititeetille:

$(1)\ (a + b)^2 = a^2 + 2ab + b^2$ .

Algoritmin etuna on se, että jokaisen askeleen jälkeen saadaan oikea desimaali ja sitä myötä täsmällinen rationaalinen likiarvo.

"Juurikulman" perustana oleva algoritmi voidaan selittää seuraavasti:

Oletetaan, että halutaan laskea arvon neliöjuuri 144:sta eli $\sqrt{144}$ .

Tiedetään, että 100 ≤ 144, joten $10\le \sqrt{144}$ .

Käytetään nyt kaavaa (1) ja sijoitetaan siihen a = 10, b = r:

$(10 + r)^2 \le 144$

$100 + 20r + r^2\le 144$

$20r + r^2\le 144 - 100 = 44$

$r(20 + r)\le 44$

Nyt kysymys: mikä on suurin luonnollinen luku r, joka toteuttaa ehdon $r(20 + r)\le 44$ ?

Selvästi r = 2.

Tässä tapauksessa "jako" menee tasan, eli

2(20 + 2) = 44

ja siten siis

122 = 144

ja $\sqrt{144} = 12$

Sama lasku "juurikulmassa" tapahtuu seuraavasti:

Jaetaan ensin juurrettava luku kahden numeron osiin desimaalipilkusta alkaen:

144 = 1 44 ja sovelletaan yllä kuvattua algoritmia.

 1  2
|1 44
-1    (=1²) 
 0 44
  -44 (=2*(20+2))
    0

Toinen esimerkki $\sqrt{7}$ :

Jaetaan taas juurrettava kahden numeron osiin:

7 = 7, 00 00 00 00 00

 2,  6  4  5  7
|7, 00 00 00 00
-4                    (= 2²)                                               2
 3 00                                                                      2
-2 76                 (= 6 * (2 * 20 + 6) = 6 * 46)                        46
   24 00                                                                    6
  -20 80              (= 4 * ((400 + 2 * 60) + 4) = 4 * 524)               524
    3 20 00                                                                  4
   -2 64 25           (= 5 * ((5200 + 2 * 40) + 5) = 5 * 5285)             5285
      55 75 00                                                                5
     -37 03 49        (= 7 * (((52800 + 2 * 50) + 7) = 7  * 52907)         52907
      18 71 51                                                                 7
                                                                           52914_

Saadaan likiarvo √7 ≈ 2,6457. Huomaa oikeimpana kulkeva lukusarja!

[muokkaa] Neliölukujen avulla

Lukuja 1, 4, 9, 16, 25,... sanotaan neliöluvuiksi. Neliöluvut ovat ns. kuviolukuja.

Neliölukujen avulla saadaan mielenkiintoinen tapa laskea neliöjuuria. Se perustuu siihen, että jokainen neliöluku on peräkkäisten parittomien lukujen summa. Tämä nähdään esimerkiksi algebrallisesti $\sum_{k=1}^n (2k - 1) = \sum_{k=1}^n {2k} - \sum_{k=1}^n {1} = 2\sum_{k=1}^n {k} - \sum_{k=1}^n {1} = 2\left(\frac{n(n+1)}{2}\right) - n= n(n+1) - n = n^2$ .

Selvemmin mainittu yhteys nähdään esimerkiksi alla olevasta kuviosta:

1   *    4   **  = *  *  = 1 + 3   9   *** = *  *   * = 1 + 3 + 5
             **      **                ***     **   *
                                       ***        ***

16   **** = *  *   *    *      = 1 + 3 + 5 + 7
     ****     **   *    *
     ****        ***    *
     ****            ****

jne.

Sama toimii toiseenkin suuntaan: vähentämällä luvusta parittomia lukuja saadaan luvun neliöjuuri tai sen likiarvo.

Esimerkki $\sqrt{25}$ :

Luvuilla:

(1) 25 - 1 = 24

(2) 24 - 3 = 21

(3) 21 - 5 = 16

(4) 16 - 7 = 9

(5) 9 - 9 = 0

Viisi vähennyslaskua:

$\sqrt{25} = 5$

Kuvioilla:

(0) *****   (1)  ****   (2)   ***   (3)    **   (4)     *   (5) 
    *****       *****         ***          **           *       
    *****       *****       *****          **           *       
    *****       *****       *****       *****           *       
    *****       *****       *****       *****       *****

Yllä olevassa esimerkissä vähennys meni tasan, ja saatiin tarkka arvo. Samalla algoritmilla voidaan kuitenkin laskea myös likiarvoja juurelle.

Esimerkki $\sqrt2$ :

(1) 2 - 1 = 1

Vähennys loppuu tähän, koska 1 - 3 on negatiivinen: √2 ≈ 1.

Lisätään vähennysjäännöksen (1) perään kaksi nollaa (100) (vertaa "juurikulma").

Lasketaan viimeisen vähennetyn (1) ja ensimmäisen ei-vähennetyn (3) aritmeettinen keskiarvo: (1+3)/2=2.

Kerrotaan keskiarvo 10:llä (20).

Jatketaan vähennystä seuraavasta parittomasta (21)

(1) 100 - 21 = 79

(2) 79 - 23 = 56

(3) 56 - 25 = 31

(4) 31 - 27 = 4

Vähennys loppuu tähän, koska 4 - 27 on negatiivinen: √2 ≈ 1,4

Tehdään kuten edellä: 4 -> 400, 10*((27+29)/2) + 1 = 281

(1) 400 - 281 = 119

Vähennys loppuu tähän, koska 119 - 283 on negatiivinen: √2 ≈ 1,41

Tehdään kuten edellä: 119 -> 11900, 10*((281+283)/2) + 1 = 2821

(1) 11900 - 2821 = 9079

(2) 9079 - 2823 = 6256

(3) 6256 - 2825 = 3431

(4) 3431 - 2827 = 604

Vähennys loppuu tähän, koska 604 - 2827 on negatiivinen: √2 ≈ 1,414

Tehdään kuten edellä: 604 -> 60400, 10*((2827+2829)/2) + 1 = 28281

(1) 60400 - 28281 = 32119

(2) 32119 - 28283 = 3836

Vähennys loppuu tähän, koska 3836 - 28285 on negatiivinen: √2 ≈ 1,4142...

Haettu osoitteesta http://fi.wikipedia.org../../../n/e/l/Neli%C3%B6juuri.html

Luokka: Matematiikka

We provide Linux to the World