Apunts 17 set 2025

2. Potències i arrels

Definicions, propietats i exercicis amb operacions amb potències i radicals.

Potència i arrel n-èsima

Potència

Una potència és una notació per escriure moltes multiplicacions del mateix factor:

$$\underbrace{a \cdot a \cdot \,\dots\, \cdot a}_{n \text{ vegades}} = a^{n},$$

on $a$ s'anomena base i $n$ exponent.

Arrel n-èsima

L'arrel n-èsima d'$a$ és el nombre $b$ tal que $b^{n} = a$:

$$\sqrt[n]{a} = b \;\Longleftrightarrow\; b^{n} = a.$$

Compte amb el signe: per a $n$ parell, l'arrel només té sentit si $a \ge 0$, i convenim que el resultat és el valor positiu. Per exemple, $\sqrt{4} = 2$ (i no $-2$). Per a $n$ senar sí que existeix per a $a$ negatius: $\sqrt[3]{-8} = -2$ perquè $(-2)^{3} = -8$.

Propietats de les potències

Resum amb exemples

PropietatExpressióExemple
Producte mateixa base$a^{n} \cdot a^{m} = a^{n+m}$$2^{3} \cdot 2^{4} = 2^{7} = 128$
Quocient mateixa base$\dfrac{a^{n}}{a^{m}} = a^{n-m}$$\dfrac{2^{5}}{2^{2}} = 2^{3} = 8$
Potència d'una potència$(a^{n})^{m} = a^{n \cdot m}$$(2^{3})^{2} = 2^{6} = 64$
Potència d'un producte$(a \cdot b)^{n} = a^{n} \cdot b^{n}$$(2 \cdot 3)^{2} = 2^{2} \cdot 3^{2} = 36$
Potència d'un quocient$\left(\dfrac{a}{b}\right)^{n} = \dfrac{a^{n}}{b^{n}}$$\left(\dfrac{2}{3}\right)^{2} = \dfrac{4}{9}$
Exponent negatiu$a^{-n} = \dfrac{1}{a^{n}}$$2^{-3} = \dfrac{1}{8}$
Exponent fraccionari$a^{p/q} = \sqrt[q]{a^{p}}$$8^{2/3} = \sqrt[3]{8^{2}} = 4$
Exponent zero$a^{0} = 1$  ($a \neq 0$)$5^{0} = 1$

Propietats de les arrels

Resum amb exemples

PropietatExpressióExemple
Producte mateix índex$\sqrt[n]{a} \cdot \sqrt[n]{b} = \sqrt[n]{a \cdot b}$$\sqrt{2} \cdot \sqrt{8} = \sqrt{16} = 4$
Quocient mateix índex$\dfrac{\sqrt[n]{a}}{\sqrt[n]{b}} = \sqrt[n]{\dfrac{a}{b}}$$\dfrac{\sqrt{50}}{\sqrt{2}} = \sqrt{25} = 5$
Potència d'una arrel$\bigl(\sqrt[n]{a}\bigr)^{m} = \sqrt[n]{a^{m}}$$\bigl(\sqrt{3}\bigr)^{4} = \sqrt{3^{4}} = 9$
Arrel d'una arrel$\sqrt[m]{\sqrt[n]{a}} = \sqrt[m \cdot n]{a}$$\sqrt{\sqrt[3]{64}} = \sqrt[6]{64} = 2$
Arrel com a potència fraccionària$\sqrt[n]{a^{m}} = a^{m/n}$$\sqrt[3]{8^{2}} = 8^{2/3} = 4$
Simplificació de l'índex$\sqrt[n]{a^{m}} = \sqrt[n/k]{a^{m/k}}$ (si $k$ divideix $n$ i $m$)$\sqrt[6]{4^{2}} = \sqrt[3]{4} = \sqrt[3]{2^{2}}$

La idea unificadora és passar-ho tot a potències amb exponent fraccionari. Així només has de recordar les propietats de les potències.

Exercicis

Practiquem operacions amb potències i arrels. Cada enunciat porta la solució amagada — intenta resoldre'l abans de desplegar-la.

22 Operacions amb potències i arrels

Fes les operacions següents. Després, comprova els resultats amb una eina tecnològica.

  1. $\sqrt[5]{125 \cdot 50 \cdot 32}$
  2. $\sqrt[5]{0{,}0000004}$
  3. $\sqrt{2 \sqrt{2 \sqrt{2 \sqrt{2}}}}$
  4. $\sqrt[5]{(243)^{2} \cdot (64)^{-3}}$
  5. $\sqrt[5]{(243)^{2/3} \cdot (64)^{-1/2}}$
  6. $\dfrac{\sqrt{3} \cdot \sqrt[5]{27^{2}}}{9^{-2}}$
Mostrar solució

(a) Descomposem en factors primers: $125 = 5^{3}$, $50 = 2 \cdot 5^{2}$, $32 = 2^{5}$, així el producte és $2^{6} \cdot 5^{5}$.

$$\sqrt[5]{2^{6} \cdot 5^{5}} = 5 \cdot \sqrt[5]{2^{6}} = 5 \cdot 2 \cdot \sqrt[5]{2} = 10\,\sqrt[5]{2}.$$

(b) $0{,}0000004 = \dfrac{4}{10^{7}} = \dfrac{2^{2}}{2^{7} \cdot 5^{7}} = \dfrac{1}{2^{5} \cdot 5^{7}}$.

$$\sqrt[5]{\dfrac{1}{2^{5} \cdot 5^{7}}} = \dfrac{1}{2 \cdot 5 \cdot \sqrt[5]{5^{2}}} = \dfrac{1}{10\,\sqrt[5]{25}} = \dfrac{\sqrt[5]{125}}{50}.$$

(c) Treballem de dins cap a fora: $2\sqrt{2} = 2^{3/2}$, $2\sqrt{2^{3/2}} = 2^{7/4}$, $2\sqrt{2^{7/4}} = 2^{15/8}$, i finalment $\sqrt{2^{15/8}} = 2^{15/16}$.

$$= 2^{15/16} = \sqrt[16]{2^{15}}.$$

(d) $243 = 3^{5}$, $64 = 2^{6}$. L'expressió és $\sqrt[5]{3^{10} \cdot 2^{-18}} = 3^{2} \cdot 2^{-18/5} = \dfrac{9}{2^{3} \sqrt[5]{2^{3}}} = \dfrac{9}{8\,\sqrt[5]{8}}$. Racionalitzem amb $\sqrt[5]{2^{2}}$:

$$= \dfrac{9 \, \sqrt[5]{4}}{16}.$$

(e) $\sqrt[5]{(3^{5})^{2/3} \cdot (2^{6})^{-1/2}} = \sqrt[5]{3^{10/3} \cdot 2^{-3}} = 3^{2/3} \cdot 2^{-3/5} = \dfrac{\sqrt[3]{9}}{\sqrt[5]{8}}$.

(f) $\sqrt{3} = 3^{1/2}$, $\sqrt[5]{27^{2}} = 3^{6/5}$, $9^{-2} = 3^{-4}$. Llavors:

$$\dfrac{3^{1/2} \cdot 3^{6/5}}{3^{-4}} = 3^{1/2 + 6/5 + 4} = 3^{57/10} = 3^{5} \cdot 3^{7/10} = 243 \, \sqrt[10]{3^{7}}.$$
23 Nombre d'or

Donat el nombre d'or $\varphi = \dfrac{1 + \sqrt{5}}{2}$, comprova que $\varphi^{2} = \varphi + 1$.

Mostrar solució

Calculem $\varphi^{2}$ desenvolupant el quadrat:

$$\varphi^{2} = \left(\dfrac{1+\sqrt{5}}{2}\right)^{2} = \dfrac{1 + 2\sqrt{5} + 5}{4} = \dfrac{6 + 2\sqrt{5}}{4} = \dfrac{3 + \sqrt{5}}{2}.$$

Calculem $\varphi + 1$ buscant denominador comú:

$$\varphi + 1 = \dfrac{1 + \sqrt{5}}{2} + \dfrac{2}{2} = \dfrac{3 + \sqrt{5}}{2}.$$
$\varphi^{2} = \varphi + 1 = \dfrac{3 + \sqrt{5}}{2}$ ✓

Aquesta és l'equació característica del nombre d'or i la base de moltes de les seves propietats geomètriques.

24 Sumes i restes amb radicals semblants

Fes les operacions següents.

  1. $\dfrac{1}{5}\sqrt{54} - \dfrac{1}{2}\sqrt{18} + \dfrac{1}{10}\sqrt{24}$
  2. $\sqrt{\dfrac{1}{2}} + \sqrt{32} - \dfrac{1}{3\sqrt{8}}$
  3. $3\sqrt{x} - \sqrt{4x} + 2\sqrt{36x} - 5\sqrt{x - \tfrac{9x}{25}}$
  4. $\sqrt{\tfrac{2}{3}} + \sqrt{\tfrac{1}{3}} + \sqrt{\tfrac{1}{3}} - 3\sqrt{2} + \sqrt{\tfrac{1}{12}}$
  5. $\sqrt{18y} - \sqrt{2y} + \tfrac{5}{2}\sqrt{8y} - \tfrac{4}{3}\sqrt{9y}$
  6. $\sqrt{\tfrac{2x}{8}} + \sqrt{\tfrac{2x}{8}} + \sqrt{\tfrac{2x}{3}} + \sqrt{\tfrac{2}{45}} - \sqrt{\tfrac{48}{16}}$
Mostrar solució dels apartats clau

(a) $\sqrt{54} = 3\sqrt{6}$, $\sqrt{18} = 3\sqrt{2}$, $\sqrt{24} = 2\sqrt{6}$.

$$\tfrac{1}{5}(3\sqrt{6}) - \tfrac{1}{2}(3\sqrt{2}) + \tfrac{1}{10}(2\sqrt{6}) = \tfrac{3}{5}\sqrt{6} + \tfrac{1}{5}\sqrt{6} - \tfrac{3}{2}\sqrt{2} = \tfrac{4}{5}\sqrt{6} - \tfrac{3}{2}\sqrt{2}.$$

Compte: el primer terme és resta al segon i suma al tercer; els radicals semblants ($\sqrt{6}$ amb $\sqrt{6}$) es combinen, i $\sqrt{2}$ queda sol.

(e) $\sqrt{18y} = 3\sqrt{2y}$, $\sqrt{8y} = 2\sqrt{2y}$, $\sqrt{9y} = 3\sqrt{y}$.

$$3\sqrt{2y} - \sqrt{2y} + \tfrac{5}{2}\!\cdot\!2\sqrt{2y} - \tfrac{4}{3}\!\cdot\!3\sqrt{y} = (3 - 1 + 5)\sqrt{2y} - 4\sqrt{y} = 7\sqrt{2y} - 4\sqrt{y}.$$

Pels altres apartats l'estratègia és la mateixa: factoritzar dins del radical (treure quadrats perfectes) i ajuntar els radicals semblants.

25 Expressió amb variables

Calcula:

$$5\,\sqrt{a - \tfrac{9a}{25}} + \tfrac{1}{2}\sqrt{a^{3} \cdot b} - \tfrac{1}{b}\sqrt{a \cdot b^{3}} + \tfrac{a}{3}\sqrt{9b} - \sqrt{36b}.$$
Mostrar solució

Simplifiquem cada terme aïlladament:

  • $5\sqrt{a - \tfrac{9a}{25}} = 5\sqrt{\tfrac{16a}{25}} = 5 \cdot \tfrac{4}{5}\sqrt{a} = 4\sqrt{a}$.
  • $\tfrac{1}{2}\sqrt{a^{3}b} = \tfrac{1}{2} \cdot a\sqrt{ab} = \tfrac{a}{2}\sqrt{ab}$.
  • $\tfrac{1}{b}\sqrt{ab^{3}} = \tfrac{1}{b} \cdot b\sqrt{ab} = \sqrt{ab}$.
  • $\tfrac{a}{3}\sqrt{9b} = \tfrac{a}{3} \cdot 3\sqrt{b} = a\sqrt{b}$.
  • $\sqrt{36b} = 6\sqrt{b}$.

Substituïm i agrupem termes semblants:

$$4\sqrt{a} + \tfrac{a}{2}\sqrt{ab} - \sqrt{ab} + a\sqrt{b} - 6\sqrt{b} = 4\sqrt{a} + \tfrac{a-2}{2}\sqrt{ab} + (a-6)\sqrt{b}.$$
26 Quocient amb molts radicals

Resol:

$$\dfrac{\sqrt{12} \cdot \sqrt[3]{12} \cdot \sqrt[6]{12} \cdot \sqrt{12 \cdot \sqrt{12}}}{12 \cdot \sqrt[4]{12}}.$$
Mostrar solució

Escrivim cada factor com a potència de $12$:

  • $\sqrt{12} = 12^{1/2}$, $\sqrt[3]{12} = 12^{1/3}$, $\sqrt[6]{12} = 12^{1/6}$.
  • $\sqrt{12\sqrt{12}} = \sqrt{12 \cdot 12^{1/2}} = \sqrt{12^{3/2}} = 12^{3/4}$.
  • $12 \cdot \sqrt[4]{12} = 12^{1} \cdot 12^{1/4} = 12^{5/4}$.

Sumem exponents al numerador (denominador comú $12$):

$$\tfrac{1}{2} + \tfrac{1}{3} + \tfrac{1}{6} + \tfrac{3}{4} = \tfrac{6}{12} + \tfrac{4}{12} + \tfrac{2}{12} + \tfrac{9}{12} = \tfrac{21}{12} = \tfrac{7}{4}.$$

Quocient final:

$$\dfrac{12^{7/4}}{12^{5/4}} = 12^{7/4 - 5/4} = 12^{1/2} = \sqrt{12}.$$
$= \sqrt{12} = 2\sqrt{3}$.
28 Simplificacions amb radicals niats

Simplifica les expressions següents.

  1. $\sqrt{50\,a^{4}\,b\,c^{2}} \cdot \sqrt[3]{5bc}$
  2. $\sqrt{a^{2} \cdot \sqrt[3]{a^{2} \cdot \sqrt{a^{2}}}}$
  3. $\sqrt{\tfrac{1}{3}\,\sqrt[3]{3^{5} \cdot \sqrt{\tfrac{1}{3} \cdot \sqrt{27}}}}$
  4. $\sqrt{a^{5} \cdot \sqrt{\tfrac{1}{x} \cdot \sqrt{a^{3}}}}$
  5. $\left(\sqrt{\tfrac{1}{x} \cdot \sqrt[4]{x \cdot \sqrt{x^{8} \cdot \sqrt[3]{\tfrac{1}{x} \cdot \sqrt{x}}}}}\right)^{7}$
  6. $\dfrac{\sqrt{\sqrt[15]{x^{5}\,y^{3}}}}{\sqrt[3]{\sqrt[15]{x^{5}\,y^{3}}}}$
  7. $\dfrac{\dfrac{1}{x} \cdot \sqrt[3]{x^{2}} \cdot \sqrt{\tfrac{1}{x}}}{\dfrac{1}{\sqrt{x}} \cdot \sqrt[3]{x} \cdot \sqrt{\tfrac{1}{2}}}$
  8. $\sqrt{\tfrac{a}{3b}} \cdot \left(\sqrt[3]{\tfrac{3b^{3}}{a^{2}}} \cdot \sqrt{\tfrac{3}{27}}\right)$
Mostrar solució dels apartats e i g

(e) Es tracta de simplificar progressivament cada arrel, treballant de dins cap a fora amb $x$ com a base. La cadena d'arrels niades fa que el grau total acabi sent $\sqrt[64]{\,\cdot\,}$, i el contingut s'agrupa en una potència gran de $x$. El resultat final és:

$$\sqrt[64]{x^{49}}.$$

(g) Passem cada terme a potència fraccionària de $x$:

  • Numerador: $\dfrac{1}{x} \cdot x^{2/3} \cdot x^{-1/2} = x^{-1 + 2/3 - 1/2} = x^{-5/6}$.
  • Denominador: $x^{-1/2} \cdot x^{1/3} \cdot \tfrac{\sqrt{2}}{2}$. La part de potències és $x^{-1/2 + 1/3} = x^{-1/6}$.

Quocient: $\dfrac{x^{-5/6}}{x^{-1/6} \cdot \tfrac{\sqrt{2}}{2}} = \dfrac{2 \, x^{-5/6 + 1/6}}{\sqrt{2}} = \dfrac{2}{\sqrt{2}} \cdot x^{-2/3} = \dfrac{\sqrt{2}}{\sqrt[3]{x^{2}}}$.

Per als altres apartats, l'estratègia és la mateixa: convertir cada radical a potència fraccionària, agrupar exponents per base i treure factors fora del radical quan es pugui.