Возведение числа в степень на Python

В этом руководстве разберем процесс возведения в степень в Python.

В математике возведение в степень — это операция, при которой число умножается само на себя несколько раз. Python предоставляет встроенные операторы и функции для выполнения возведения в степень.

Оператор ** для возведения в степень

Многие разработчики считают, что символ карет (^) — это оператор возведения числа в степень, ведь именно он обозначает эту операцию в математике. Однако в большинстве языков программирования этот знак выступает в качестве побитового xor.

В Python оператор возведения в степень обозначается двумя символами звездочки ** между основанием и числом степени.

Функциональность этого оператора дополняет возможности оператора умножения *: разница лишь в том, что второй оператор указывает на то, сколько раз первые операнд будет умножен сам на себя.

print(5**6)

Чтобы умножить число 5 само на себя 6 раз, используется ** между основанием 5 и операндом степени 6. Вывод:

15625

Проверим оператор с другими значениями.

Инициализируем целое число, отрицательное целое, ноль, два числа с плавающей точкой float, одно больше нуля, а второе — меньше. Степеням же присвоим случайные значения.

num1 = 2
num2 = -5
num3 = 0
num4 = 1.025
num5 = 0.5

print(num1, '^12 =', num1**12)
print(num2, '^4 =', num2**4)
print(num3, '^9999 =', num3**9999)
print(num4, '^-3 =', num4**-3)
print(num5, '^8 =', num5**8)

Вывод:

2 ^12 = 4096
-5 ^4 = 625
0 ^9999 = 0
1.025 ^-3 = 0.928599410919749
0.5 ^8 = 0.00390625

pow() или math.power() для возведения в степень

Также возводить в степень в Python можно с помощью функции pow() или модуля math, в котором есть своя реализация этого же модуля.

В обе функции нужно передать два аргумента: основание и саму степень. Попробуем вызвать обе функции и посмотрим на результат.

import math

print(pow(-8, 7))
print(math.pow(-8, 7))

print(pow(2, 1.5))
print(math.pow(2, 1.5))

print(pow(4, 3))
print(math.pow(4,3))

print(pow(2.0, 5))
print(math.pow(2.0, 5))

Вывод:

-2097152
-2097152.0
2.8284271247461903
2.8284271247461903
64
64.0
32.0
32.0

Отличие лишь в том, что math.pow() всегда возвращает значение числа с плавающей точкой, даже если передать целые числа. А вот pow() вернет число с плавающей точкой, если таким же был хотя бы один из аргументов.

numpy.np() для возведения в степень

В модуле numpy есть своя функция power() для возведения в степень. Она принимает те же аргументы, что и pow(), где первый — это основание, а второй — значение степени.

Выведем те же результаты.

print(np.power(-8, 7))
print(np.power(2, 1.5))
print(np.power(4, 3))
print(np.power(2.0, 5))

-2097152
2.8284271247461903
64
32.0

Как получить квадрат числа в Python?
Для возведения числа в квадрат, нужно указать 2 в качестве степени. Встроенной функции для получения квадрата в Python нет.
Например, квадрат числа 6 — 6**2 —> 36.

Сравнение времени работы разных решений

Теперь сравним, сколько занимает выполнение каждой из трех функций и оператора **. Для этого используем модуль timeit.

Основанием будет 2, а значением степени — 9999999.

import numpy as np
import math
import time

start = time.process_time()
val = 2**9999999
print('** за', time.process_time() - start, 'ms')

start = time.process_time()
val = pow(2, 9999999)
print('pow() за', time.process_time() - start, 'ms')

start = time.process_time()
val = np.power(2, 9999999)
print('np.power() за', time.process_time() - start, 'ms')

start = time.process_time()
val = math.pow(2, 9999999)
print('math.pow() за', time.process_time() - start, 'ms')

** за 0.078125 ms
pow() за 0.0625 ms
np.power() за 0.0 ms
Traceback (most recent call last):
  File "C:\Programs\Python\Python38\test.py", line 18, in <module>
    val = math.pow(2, 9999999)
OverflowError: math range error

В первую очередь можно обратить внимание на то, что math.pow() вернула ошибку OverflowError. Это значит, что функция не поддерживает крупные значения степени.

Различия между остальными достаточно простые, но можно увидеть, что np.power() — самая быстрая.