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1. 개요[편집]
2. 지수의 확장에 따른 드 무아브르 공식의 증명[편집]
증명 과정은 먼저 수학적 귀납법으로 자연수 지수에 대해서 증명한 뒤, 이를 바탕으로 정수 지수, 유리수 지수에 대해서 증명하고 마지막으로 실수의 완비성을 이용해 실수 지수에 대해서 증명한다.
전제
정수론에서, 정수의 집합 은 다음과 같이 정의된다.
①. 자연수 집합※자연수 집합은 페아노 공리계를 만족하는 최소의 집합으로 정의된다. 자세한 내용은 자연수 항목 참조.②. 음의 정수 집합※음의 정수는 덧셈에 대한 역원이 자연수 집합에 속해있는 모든 수의 집합으로 정의된다.③. 덧셈의 항등원 집합인
→ 정수의 집합
이 전제를 토대로, 수학적 귀납법을 통해 증명한다.
2.1. 정수[편집]
2.1.1. 자연수(양의 정수)[편집]
①. 는 일 때는 자명하다. ②. 가 임의의 양의 정수 에서 성립한다고 가정하자. 즉, 가 성립한다. 이제, 양변에 를 곱해보자. 좌변은 지수의 성질에 의하여 이 되고, 우변은 전개하면 다음과 같아진다. 이제, 삼각함수의 덧셈정리에 의하여 정리해주면, 이 식은 이렇게 단순화된다. |
즉, 에서 성립할 때, 에서도 성립하므로, 수학적 귀납법에 의하여 이 식은 모든 자연수 에 대해서 항상 성립한다. 이로써 자연수(=양의 정수) 지수에서 드 무아브르 공식이 성립함을 증명했다.
2.1.2. 0[편집]
에서, 일 때
좌변은 이며
우변은 이므로 자명하다.
2.1.3. 음의 정수[편집]
라는 것과 라는 것을 기억하자.
이제, 음의 정수 에 대해서, 가 되는 양의 정수 를 생각하면, 자연수 지수에서의 드 무아부르 정리에 의해
가 된다.
이제 이 식을 실수화 시키기 위해 분자와 분모에 를 곱하자. 이는 의 켤레 복소수이다.
가 된다.[4]
이 때, 가 되어, 음의 정수 지수에서도 성립함을 증명했다.
이로써 자연수(=양의 정수), 0, 음의 정수 지수에서 모두 성립하므로, 정수 지수에서 드 무아브르 공식이 성립함을 증명했다.
2.2. 실수[편집]
2.2.1. 유리수[편집]
전제 정수지수에서 성립함을 보였기 때문에 이를 이용한다. 가 유리수 지수 (a, b는 서로소인 정수)에서 성립한다고 하자. 즉, 가 성립한다고 하자. 이제, 양 변을 제곱하자. 좌변을 정리하면 가 되고, 우변도 정리하면 다음과 같다. 양 변의 계산값이 같으므로, 유리수 지수에서도 드 무아부르 공식이 성립함을 증명했다. |
2.2.2. 무리수[편집]
전제1. 실수의 완비성수직선상에 위치한 어떤 수라도, 그 수를 향해 수렴하는 단조 증가, 혹은 단조 감소 유리수열을 만들 수 있다.
※예시
라는 무리수가 존재한다면, 이런 수열을 만들 수 있다.
라는 유리수가 존재한다면 이런 수열을 만들 수 있다.
전제2. 지수함수의 무리수지수 정의라는 수가 주어졌을 시, 가 무리수라면, 이 를 향해 수렴하는 단조증가/단조감소 수열 을 만들 수 있다.
그렇다면, 로 극한값은 하나의 값으로 수렴하여, 이 수렴되는 극한값이 바로 라고 정의된다.
이로써 유리수, 무리수 지수에서 모두 성립하므로, 실수 지수에서 드 무아부르 공식이 성립함을 증명했다.
즉, 실수의 완비성에 의하여 모든 실수 지수에서 성립하게 되는 것이다.
(Q.E.D)