المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر المرجع الالكتروني للمعلوماتية


Power Tower  
  
3486   05:25 مساءً   date: 22-7-2019
Author : Abramowitz, M. and Stegun, I. A.
Book or Source : Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, 1972.
Page and Part : ...


Read More
Date: 25-9-2019 1529
Date: 25-7-2019 1206
Date: 22-5-2019 1426

Power Tower

 

The power tower of order k is defined as

 a^^k=a^(a^(·^(·^(·^a))))_()_(k),

(1)

where ^ is Knuth up-arrow notation (Knuth 1976), which in turn is defined by

 a^^nk=a^^(n-1)[a^^n(k-1)]

(2)

together with

a^k = a^k

(3)

a^^n1 = a.

(4)

Rucker (1995, p. 74) uses the notation

 ^ka=a^(a^(·^(·^(·^a))))_()_(k),

(5)

and refers to this operation as "tetration."

A power tower can be implemented in the Wolfram Language as

  PowerTower[a_, k_Integer] := Nest[Power[a, #]&, 1, k]

or

  PowerTower[a_, k_Integer] := Power @@ Table[a, {k}]

The following table gives values of a^(a^(·^(·^(·^a))))_()_(n) for a=1, 2, ... for small n.

n Sloane a^(a^(·^(·^(·^a))))_()_(n)
1 A000027 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, ...
2 A000312 1, 4, 27, 256, 3125, 46656, ...
3 A002488 1, 16, 7625597484987, ...
4   1, 65536, ...

The following table gives a^(a^(·^(·^(·^a))))_()_(n) for n=1, 2, ... for small a.

a Sloane a^(a^(·^(·^(·^a))))_()_(n)
1 A000012 1, 1, 1, 1, 1, 1, ...
2 A014221 2, 4, 16, 65536, 2.00×10^(19728), ...
3 A014222 3, 27, 7625597484987, ...
4   4, 256, 1.34×10^(154), ...

Consider z^(z^(·^(·^(·^z))))_()_(m) and let a_(mn) be defined as

 a_(mn)={1   if n=0; 1/(n!)   if m=1; 1/nsum_(j=1)^(n)ja_(m,n-j)a_(m-1,j-1)   otherwise

(6)

(Galidakis 2004). Then for m in N(e^z)^((e^z)^(·^(·^(·^((e^z))))))_()_(m) is entire with series expansion:

 (e^z)^((e^z)^(·^(·^(·^((e^z))))))_()_(m)=sum_(n=0)^m((n+1)^n)/((n+1)!)z^n+sum_(n=m+1)^inftya_(mn)z^n.

(7)

Similarly, for m in Nz^(z^(·^(·^(·^z))))_()_(m) is analytic for z in the domain of the principal branch of lnz, with series expansion:

 z^(z^(·^(·^(·^z))))_()_(m)=sum_(n=0)^m((n+1)^n)/((n+1)!)ln^nz+sum_(n=m+1)^inftya_(mn)ln^nz.

(8)

For m in N, and x in R,

 int(e^x)^((e^x)^(·^(·^(·^((e^x))))))_()_(m)dx=sum_(n=0)^m((n+1)^(n-2))/(n!)x^(n+1) 
 +sum_(n=m+1)^infty(a_(mn))/(n+1)x^(n+1).

(9)

For m in N, and x>0, and b(n+1,x)=Gamma(n+1,-ln(x))

 intx^(x^(·^(·^(·^x))))_()_(m)dx=sum_(n=0)^m((-1)^n(n+1)^(n-1))/(n!)b(n+1,x) 
 +sum_(n=m+1)^infty(-1)^na_(mn)b(n+1,x).

(10)

PowerTowerHReal
 
 
             
  Min Max      
PowerTowerHReImAbs
 
 
  Min   Max    
  Re    
  Im      

The value of the infinite power tower h(z)=z^^infty=z^(z^(·^(·^·))), where z^(z^z) is an abbreviation for z^((z^z)), can be computed analytically by writing

 z^(z^(·^(·^·)))=h(z)

(11)

taking the logarithm of both sides and plugging back in to obtain

 z^(z^(·^(·^·)))lnz=h(z)lnz=ln[h(z)].

(12)

Solving for h(z) gives

 h(z)=-(W(-lnz))/(lnz),

(13)

where W(z) is the Lambert W-function (Corless et al. 1996). h(z) converges iff e^(-e)<=x<=e^(1/e) (0.0659<=x<=1.4446; OEIS A073230 and A073229), as shown by Euler (1783) and Eisenstein (1844) (Le Lionnais 1983; Wells 1986, p. 35).

Knoebel (1981) gave the following series for h(z)

h(z) = sum_(n=0)^(infty)((n+1)^nln^nz)/((n+1)!)

(14)

= 1+lnz+(3^2(lnz)^2)/(3!)+(4^3(lnz)^3)/(4!)+...

(15)

(Vardi 1991).

The special value h(i) is given by

i^(i^(·^(·^·))) = -(W(-lni))/(lni)

(16)

= (2i)/piW(-1/2pii)

(17)

 approx 0.438283+0.3605924i

(18)

(OEIS A077589 and A077590; Macintyre 1966).

PowerTowerG

The related function

 g(x)=x^((1/x)^((1/x)^...))

(19)

converges only for x>=e^(-1/e), that is, x>=0.692 (OEIS A072364). The value it converges to is the inverse of x^x which can be found by taking the logarithm of both sides of (19),

 lng=(1/x)^((1/x)^((1/x)^...))lnx,

(20)

rearranging to

 x^((1/x)^((1/x)^...))lng=lnx,

(21)

and then substituting to obtain

 glng=lnx.

(22)

Solving the resulting equation for x then gives the partial solution

 g(x)=(lnx)/(W(lnx)),

(23)

which is valid for e^(-1/e)<=x<=e^e (i.e., 0.692<x<15.154; OEIS A072364 and A073226). Taking x=e then gives 1/W(1), where W(1) is the omega constant.

A continued fraction due to Khovanskii (1963) for the single iteration of g(x) is given by

 x^(1/x)=1+(2(x-1))/(x^2+1-((x^2-1)(x-1)^2)/(3x(x+1)-((4x^2-1)(x-1)^2)/(5x(x+1)-((9x^2-1)(x-1)^2)/(7x(x+1)-...)))).

(24)

XToTheXReal
 
 
             
  Min Max      

XToTheXReImXToTheXContours

The function z^z is plotted above along the real line and in the complex plane. It has series expansion

 x^x=1+xlnx+1/2x^2(lnx)^2+1/6x^3(lnx)^3+...

(25)

(Trott 2004, p. 59). It has a minimum where

 d/(dx)x^x=x^x(1+lnx)=0,

(26)

which has solution x=1/e. At this point, the function takes on the value e^(-1/e).

The indefinite integral

 intx^xdx

(27)

cannot be expressed in terms of a finite number of elementary functions, but some interesting definite integrals of x^xare

int_0^1x^xdx = sum_(n=1)^(infty)((-1)^(n+1))/(n^n)

(28)

= 0.7834305107...

(29)

int_0^1x^(-x)dx = sum_(n=1)^(infty)1/(n^n)

(30)

= 1.2912859971...

(31)

(OEIS A083648 and A073009; Spiegel 1968; Abramowitz and Stegun 1972; Havil 2003, pp. 44-45; Borwein et al. 2004, p. 5). Borwein et al. (2004, pp. 5 and 44) call these two integrals "a sophomore's dream."

PowerTower3PowerTower3ReImPowerTower3Contours

The function z^(z^z) is plotted above along the real line and in the complex plane, where it shows beautiful structure.


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, 1972.

Ash, J. M. "The Limit of x^(x^(·^(·^(·^x)))) as x Tends to Infinity." Math. Mag. 69, 207-209, 1996.

Baker, I. N. and Rippon, P. J. "Convergence of Infinite Exponentials." Ann. Acad. Sci. Fennicæ Ser. A. I. Math. 8, 179-186, 1983.

Baker, I. N. and Rippon, P. J. "Iteration of Exponential Functions." Ann. Acad. Sci. Fennicæ Ser. A. I. Math. 9, 49-77, 1984.

Baker, I. N. and Rippon, P. J. "A Note on Complex Iteration." Amer. Math. Monthly 92, 501-504, 1985.

Barrow, D. F. "Infinite Exponentials." Amer. Math. Monthly 43, 150-160, 1936.

Borwein, J.; Bailey, D.; and Girgensohn, R. Experimentation in Mathematics: Computational Paths to Discovery. Wellesley, MA: A K Peters, pp. 61-62, 2004.

Corless, R. M.; Gonnet, G. H.; Hare, D. E. G.; Jeffrey, D. J.; and Knuth, D. E. "On the Lambert W Function." Adv. Comput. Math.5, 329-359, 1996.

Creutz, M. and Sternheimer, R. M. "On the Convergence of Iterated Exponentiation, Part I." Fib. Quart. 18, 341-347, 1980.

Creutz, M. and Sternheimer, R. M. "On the Convergence of Iterated Exponentiation, Part II." Fib. Quart. 19, 326-335, 1981.

de Villiers, J. M. and Robinson, P. N. "The Interval of Convergence and Limiting Functions of a Hyperpower Sequence." Amer. Math. Monthly 93, 13-23, 1986.

Eisenstein, G. "Entwicklung von alpha^(alpha^(alpha^...))." J. reine angew. Math. 28, 49-52, 1844.

Elstrodt, J. "Iterierte Potenzen." Math. Semesterber. 41, 167-178, 1994.

Euler, L. "De serie Lambertina Plurimisque eius insignibus proprietatibus." Acta Acad. Scient. Petropol. 2, 29-51, 1783. Reprinted in Euler, L. Opera Omnia, Series Prima, Vol. 6: Commentationes Algebraicae. pp. 350-369.

Finch, S. R. "Iterated Exponential Constants." §6.11 in Mathematical Constants. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 448-452, 2003.

Galidakis, I. N. "On An Application of Lambert's W Function to Infinite Exponentials." Complex Variables Th. Appl. 49, 759-780, 2004.

Ginsburg, J. "Iterated Exponentials." Scripta Math. 11, 340-353, 1945.

Havil, J. Gamma: Exploring Euler's Constant. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2003.

Khovanskii, A. N. The Application of Continued Fractions and Their Generalizations to Problems in Approximation Theory.Groningen, Netherlands: P. Noordhoff, 1963.

Knoebel, R. A. "Exponentials Reiterated." Amer. Math. Monthly 88, 235-252, 1981.

Knuth, D. E. "Mathematics and Computer Science: Coping with Finiteness. Advances in our Ability to Compute are Bringing us Substantially Closer to Ultimate Limitations." Science 194, 1235-1242, 1976.

Länger, H. "An Elementary Proof of the Convergence of Iterated Exponentials." Elem. Math. 51, 75-77, 1996.

Le Lionnais, F. Les nombres remarquables. Paris: Hermann, pp. 22 and 39, 1983.

Macdonnell, J. "Some Critical Points on the Hyperpower Function ^nx=x^(x^(·^(·^(·^x))))." Int. J. Math. Educ. Sci. Technol. 20, 297-305, 1989.

Macintyre, A. J. "Convergence of i^(i^(·^(·^·)))." Proc. Amer. Math. Soc. 17, 67, 1966.

Mauerer, H. "Über die Funktion x^(x^...) für ganzzahliges Argument (Abundanzen)." Mitt. Math. Gesell. Hamburg 4, 33-50, 1901.

Meyerson, M. D. "The x^x Spindle." Math. Mag. 69, 198-206, 1996.

Rippon, P. J. "Infinite Exponentials." Math. Gaz. 67, 189-196, 1983.

Rucker, R. Infinity and the Mind: The Science and Philosophy of the Infinite. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1995.

Sloane, N. J. A. Sequences A072364, A073226, A073229, A073230, A077589, A077590, A083648, and A073009 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

Spiegel, M. R. Mathematical Handbook of Formulas and Tables. New York: McGraw-Hill, 1968.

Trott, M. The Mathematica GuideBook for Programming. New York: Springer-Verlag, 2004. http://www.mathematicaguidebooks.org/.

Vardi, I. Computational Recreations in Mathematica. Reading, MA: Addison-Wesley, pp. 11-12 and 226-229, 1991.

Weber, R. O. and Roumeliotis, J. "i^i^i^i^...." Austral. Math. Soc. Gaz. 22, 182-184, 1995.

Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Numbers. Middlesex, England: Penguin Books, p. 35, 1986.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.