드 무아브르 공식

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1. 개요2. 지수의 확장에 따른 드 무아브르 공식의 증명
2.1. 정수
2.1.1. 자연수(양의 정수)2.1.2. 02.1.3. 음의 정수
2.2. 실수
2.2.1. 유리수2.2.2. 무리수

1. 개요[편집]

(cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθ\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{n}=\cos n\theta+i\sin n\theta
[cis(x)]n=cis(nx)[ \mathrm{cis}(x) ]^n = \mathrm{cis}(nx)[1]
de Moivre’s formula
오일러 공식에서 유도되는, 절대값이 1인 복소수의 실수지수 거듭제곱을 단순화시켜주는 공식이다.[2]
eiθ=cosθ+isinθe^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta이므로, 양쪽 항에 각각 nn거듭제곱을 취하면
(eiθ)n=(cosθ+isinθ)n\left(e^{i\theta}\right)^{n}=\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{n}
einθ=cos(nθ)+isin(nθ)e^{in\theta}=\cos \left ( n\theta \right) +i\sin \left (n\theta \right)

또한 이 공식에 따라 허수지수함수는 반쌍형성[3]을 띤다.
cis(x)=cis(x)\overline{\rm cis}(x) = {\rm cis}(-x)

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 Z\mathbb{Z}은 다음과 같이 정의된다.
①. 자연수 집합 N:={nnN}=Z+\mathbb{N}:=\{n|n\in\mathbb{N}\}=\mathbb{Z^{+}}
※자연수 집합은 페아노 공리계를 만족하는 최소의 집합으로 정의된다. 자세한 내용은 자연수 항목 참조.
②. 음의 정수 집합 Z:={nnN}\mathbb{Z^{-}}:=\{-n|n\in\mathbb{N}\}
※음의 정수는 덧셈에 대한 역원이 자연수 집합에 속해있는 모든 수의 집합으로 정의된다.
③. 덧셈의 항등원 집합인 {0}\{0\}
→ 정수의 집합 Z:=Z+{0}Z\mathbb{Z}:=\mathbb{Z^{+}}\cup\{0\}\cup\mathbb{Z^{-}}
이 전제를 토대로, 수학적 귀납법을 통해 증명한다.

2.1. 정수[편집]

2.1.1. 자연수(양의 정수)[편집]

①. (cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{n}=\cos \left(n\theta\right)+i\sin \left(n\theta\right)n=1n=1일 때는 자명하다.
②. (cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{n}=\cos \left(n\theta\right)+i\sin \left(n\theta\right)가 임의의 양의 정수 kk에서 성립한다고 가정하자.
즉, (cosθ+isinθ)k=cos(kθ)+isin(kθ)\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{k}=\cos \left(k\theta\right)+i\sin \left(k\theta\right)가 성립한다.
이제, 양변에 (cosθ+isinθ)\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)를 곱해보자.
(cosθ+isinθ)k(cosθ+isinθ)={cos(kθ)+isin(kθ)}×(cosθ+isinθ)\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{k}\cdot\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)=\left \{ \cos\left ( k\theta \right )+i\sin\left ( k\theta \right ) \right \}\times\left ( \cos \theta+i\sin \theta \right )
좌변은 지수의 성질에 의하여 (cosθ+isinθ)k+1\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{k+1}이 되고, 우변은 전개하면 다음과 같아진다.
cos(kθ)cosθsin(kθ)sinθ+i{sin(kθ)cosθ}+cos(kθ)sinθ\cos\left ( k\theta \right )\cos \theta-\sin\left ( k\theta \right )\sin\theta+i\left \{\sin\left ( k\theta \right )\cos\theta \right \}+\cos\left ( k\theta \right ) \sin\theta
이제, 삼각함수의 덧셈정리에 의하여 정리해주면, 이 식은 이렇게 단순화된다.
cos{(k+1)θ}+isin{(k+1)θ}\cos\left \{ \left ( k+1 \right )\theta \right \}+i\sin\left \{ \left ( k+1 \right )\theta \right \}
즉, kk에서 성립할 때, (k+1)\left(k+1\right)에서도 성립하므로, 수학적 귀납법에 의하여 이 식은 모든 자연수 nn에 대해서 항상 성립한다. 이로써 자연수(=양의 정수) 지수에서 드 무아브르 공식이 성립함을 증명했다.

2.1.2. 0[편집]

(cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{n}=\cos \left (n\theta \right)+i\sin \left(n\theta\right)에서, n=0n=0일 때
좌변은 (cosθ+isinθ)0=1\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{0}=1이며
우변은 cos(0θ)+isin(0θ)=1+0i=1\cos \left(0\theta\right)+i\sin \left(0\theta\right)=1+0i=1이므로 자명하다.

2.1.3. 음의 정수[편집]

ab=1aba^{-b}=\displaystyle{\frac{1}{a^{b}}}라는 것과 cos(θ)sin(θ)=cos(θ)+sin(θ)\cos(\theta)-\sin(\theta)=\cos(-\theta)+\sin(-\theta)라는 것을 기억하자.
이제, 음의 정수 kk에 대해서, k=tk=-t가 되는 양의 정수 tt를 생각하면, 자연수 지수에서의 드 무아부르 정리에 의해
(cosθ+isinθ)k=(cosθ+isinθ)t=1(cosθ+isinθ)t=1cos(tθ)+isin(tθ)\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{k}=\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{-t}=\displaystyle{\frac{1}{\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{t}}}=\displaystyle{\frac{1}{\cos \left( t\theta \right) +i\sin \left( t\theta \right) }}가 된다.
이제 이 식을 실수화 시키기 위해 분자와 분모에 cos(tθ)isin(tθ)\cos \left ( t\theta \right)-i\sin \left(t\theta \right) 를 곱하자. 이는 cos(tθ)+isin(tθ)\cos \left( t\theta\right)+i\sin \left(t\theta \right)의 켤레 복소수이다.
cos(tθ)isin(tθ)(cos(tθ)+isin(tθ))(cos(tθ)isin(tθ))=cos(tθ)isin(tθ)cos2(tθ)+sin2(tθ)=cos(tθ)isin(tθ)\displaystyle{\frac{\cos \left(t\theta\right)-i\sin \left(t\theta\right)}{\left(\cos \left(t\theta\right)+i\sin \left(t\theta\right)\right)\cdot\left(\cos \left(t\theta\right)-i\sin \left(t\theta\right)\right)}}=\displaystyle{\frac{\cos \left(t\theta\right)-i\sin \left(t\theta\right)}{\cos^{2} \left(t\theta\right)+\sin^{2} \left(t\theta\right)}}=\cos \left(t\theta\right)-i\sin \left(t\theta\right)가 된다.[4]
이 때, cos(tθ)isin(tθ)=cos(tθ)+isin(tθ)=cos(kθ)+isin(kθ)\cos \left(t\theta\right)-i\sin \left(t\theta\right)=\cos\left ( -t\theta \right )+i\sin\left ( -t\theta \right )=\cos \left(k\theta\right)+i\sin \left(k\theta\right)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.
(cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{n}=\cos (n\theta)+i\sin(n\theta)가 유리수 지수 n=abn=\displaystyle{\frac{a}{b}} (a, b는 서로소인 정수)에서 성립한다고 하자.
즉, (cosθ+isinθ)(ab)=cos(abθ)+isin(abθ)\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{\displaystyle{\left(\frac{a}{b}\right)}}=\displaystyle{\cos \left (\frac{a}{b}\theta\right)+i\sin(\frac{a}{b}\theta) }가 성립한다고 하자.
이제, 양 변을 bb제곱하자.
(cosθ+isinθ)(ab)b=(cos(abθ)+isin(abθ))b\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{\displaystyle{\left(\frac{a}{b}\right)}}\displaystyle{^{b}}=\displaystyle{(\cos (\frac{a}{b}\theta)+i\sin (\frac{a}{b}\theta))^{b}}
좌변을 정리하면 (cosθ+isinθ)a=cos(aθ)+isin(aθ)\left(\cos\theta+i\sin\theta\right)^{a}=\cos \left ( a\theta \right)+i\sin \left ( a\theta \right) 가 되고, 우변도 정리하면 다음과 같다.
cos(babθ)+isin(babθ)=cos(aθ)+isin(aθ)\cos \left( b\cdot\frac{a}{b}\theta \right)+i\sin \left ( b\cdot\frac{a}{b}\theta \right)=\cos \left( a\theta \right )+i\sin \left ( a\theta \right)
양 변의 계산값이 같으므로, 유리수 지수에서도 드 무아부르 공식이 성립함을 증명했다.

2.2.2. 무리수[편집]

전제1. 실수의 완비성
수직선상에 위치한 어떤 수라도, 그 수를 향해 수렴하는 단조 증가, 혹은 단조 감소 유리수열을 만들 수 있다.
※예시
2=1.414213\sqrt{2}=1.414213\cdots라는 무리수가 존재한다면, 이런 수열을 만들 수 있다.
1,1.4,1.41,1.414,1.4142,1.41421,1.414213,1, 1.4, 1.41, 1.414, 1.4142, 1.41421, 1.414213, \cdots
ab\displaystyle{\frac{a}{b}}라는 유리수가 존재한다면 이런 수열을 만들 수 있다.
an=ab10na_{n}=\displaystyle{\frac{a}{b}-10^{-n}}
전제2. 지수함수의 무리수지수 정의
aba^{b}라는 수가 주어졌을 시, bb가 무리수라면, 이 bb를 향해 수렴하는 단조증가/단조감소 수열 un,lnu_{n}, l_{n}을 만들 수 있다.
그렇다면, limnaun=limnaln\displaystyle{\lim_{n \to \infty}a^{u_{n}}}=\displaystyle{\lim_{n \to \infty}a^{l_{n}}}로 극한값은 하나의 값으로 수렴하여, 이 수렴되는 극한값이 바로 aba^{b}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)

[1] 오일러 공식을 함수꼴로 쓸 때의 형태.[2] 지수함수의 복소수지수 거듭제곱은 다가함수가 되기 때문에, 드 무아브르 공식으로 유도되는 값은 대표값이 된다.[3]켤레 대칭[4] z1z2=z1z2ˉz22\displaystyle{\frac{z_1}{z_2}}=\displaystyle{\frac{z_{1}\bar{z_2}}{\left|z_2\right|^{2}}}라는 점을 이용해도 된다. z1=1z_1=1, z2=1\left|z_2\right|=1이므로 1z2=z2ˉ\displaystyle{\frac{1}{z_2}}=\bar{z_2}라고 해석할 수도 있다.