Зачем нужна такая степень

🔭 Из жизниВ справочниках пишут: масса Солнца равна $1{,}989 \cdot 10^{33}$ г, а масса атома водорода — $1{,}674 \cdot 10^{-24}$ г. Запись $10^{33}$ понятна — это произведение $33$ множителей, каждый из которых равен $10$. А что означает запись $10^{-24}$, где показатель степени отрицательный? Ведь «умножить число само на себя минус двадцать четыре раза» смысла не имеет.

Чтобы разобраться, посмотрим на степени числа $10$ подряд: $10^0,\ 10^1,\ 10^2,\ 10^3,\ \ldots$ В этой строке каждое следующее число в $10$ раз больше предыдущего. А что если пойти в обратную сторону — влево от $10^0$, продолжая ту же закономерность?

Продолжаем ряд степеней влево

Раз шаг вправо — это умножение на $10$, то шаг влево — деление на $10$. Перед числом $10^0=1$ должно стоять число $\tfrac{1}{10}$, перед ним — $\tfrac{1}{10^2}$, перед ним — $\tfrac{1}{10^3}$ и так далее:

$$\ldots,\ \frac{1}{10^3},\ \frac{1}{10^2},\ \frac{1}{10},\ 10^0,\ 10^1,\ 10^2,\ 10^3,\ \ldots$$

Справа от $10^0$ показатель каждой следующей степени на $1$ больше предыдущего. Чтобы закономерность сохранилась и слева, числа $\tfrac{1}{10}$, $\tfrac{1}{10^2}$, $\tfrac{1}{10^3}$ и т. д. договорились записывать как степени числа $10$ с отрицательным показателем: вместо $\tfrac{1}{10}$ пишут $10^{-1}$, вместо $\tfrac{1}{10^2}$ пишут $10^{-2}$, вместо $\tfrac{1}{10^3}$ пишут $10^{-3}$.

📐 ОпределениеЕсли $a \ne 0$ и $n$ — целое отрицательное число, то $$a^{n} = \frac{1}{a^{-n}}.$$ Такое соглашение принимается для степеней с любым основанием $a$, отличным от нуля (число $-n$ здесь положительное, ведь само $n$ отрицательно).

Примеры вычислений

Пользуясь определением, вычислим несколько степеней с отрицательным показателем:

$$5^{-2} = \frac{1}{5^2} = \frac{1}{25}$$

$$(-3)^{-4} = \frac{1}{(-3)^4} = \frac{1}{81}$$

$$\left(-\frac{1}{2}\right)^{-3} = \frac{1}{\left(-\frac{1}{2}\right)^3} = -8$$

В последнем примере основание — само дробь, и результат снова оказывается числом, только уже «перевёрнутым» и возведённым в положительную степень $3$: $\left(-\tfrac12\right)^3 = -\tfrac18$, а $\tfrac{1}{-1/8} = -8$.

Теперь понятен и пример из начала темы: $$1{,}674 \cdot 10^{-24}\text{ г} = \frac{1{,}674}{10^{24}}\text{ г} = 0{,}000000000000000000000001674\text{ г}$$ (23 нуля после запятой перед цифрой $1$) — вот такая крошечная масса у атома водорода.

Особый случай — основание, равное нулю

⚠️ Частая ошибкаДля натурального (положительного) показателя $0^n = 0$, и ученики по инерции переносят это правило на отрицательный показатель, считая, что $0^{-n}=0$. Это неверно: выражению $0^n$ при целом отрицательном $n$ не приписывают никакого значения — оно попросту не имеет смысла (как и при $n=0$). Причина видна из определения: $0^{-n} = \tfrac{1}{0^{n}}$, а делить на нуль нельзя.

Степенная лестница — попробуй сам

Справа — «лестница» степеней одного и того же основания $a$: каждый шаг вправо — умножение на $a$, каждый шаг влево — деление на $a$. Подвинь ползунок показателя степени $n$ и посмотри, как значение $a^n$ меняется при переходе через $n=0$ из положительных показателей в отрицательные.

Запомни

🧠 ИтогиДля $a \ne 0$ и целого отрицательного $n$: $$a^{n} = \frac{1}{a^{-n}}.$$ Чем меньше показатель $n$, тем меньше значение степени — каждый шаг влево делит предыдущее значение на $a$. Выражение $0^n$ при $n \le 0$ смысла не имеет — на нуль делить нельзя.
n =