240 지수의 확장 (2) 🧭: 유리수 지수, 분수 지수의 비밀!
⭐ 핵심만정리
지수가 분수(유리수)가 되어도 당황하지 마세요! 거듭제곱근과 아주 친한 사이랍니다! (단, 밑 a > 0이고, m은 정수, n은 2 이상의 정수일 때 적용돼요!) 🤝
- 유리수 지수의 정의 (핵심! ⭐): am/n = n√am
- 지수의 분모 n은 거듭제곱근의 종류(n제곱근)를 나타내요.
- 지수의 분자 m은 루트 안의 수의 지수를 나타내요.
- 특별한 경우: a1/n = n√a (분자가 1일 때는 루트 안의 지수가 1이 되는 거죠!)
예를 들어, 82/3은 “8의 제곱(82=64)에다가 세제곱근을 씌운 값” 즉, 3√64 = 4와 같아요. 또는 “(세제곱근 8)의 제곱” 즉, (3√8)2 = 22 = 4 와도 같답니다! 신기하죠? 😉
📚 개념정리
안녕, 지수 탐험의 다음 단계에 온 친구들! 🚀 지난 시간에는 지수가 0이거나 음의 정수인 경우까지 지수의 세계를 넓혀봤죠? 오늘은 한 걸음 더 나아가, 지수가 분수 형태, 즉 유리수일 때는 어떻게 정의하고 계산하는지 알아볼 거예요. 유리수 지수는 우리가 이미 배운 ‘거듭제곱근’과 아주 밀접한 관련이 있답니다! 😊
지수를 유리수까지 확장하는 이유: 여전히 지수법칙! 🔗
수학자들은 지수의 범위가 유리수일 때도 기존의 지수법칙, 특히 (ap)q = apq와 같은 법칙이 여전히 성립하기를 바랐어요. 이 바람을 이루기 위해 유리수 지수를 어떻게 정의했는지 살펴봅시다! (단, 앞으로 밑 a는 항상 0보다 크다고 (a > 0) 약속할게요!)
유리수 지수의 정의: 분수 지수는 거듭제곱근으로 변신! 💫
a > 0이고, m은 정수, n은 2 이상의 정수일 때, 유리수 지수 am/n는 다음과 같이 정의해요.
am/n = n√am
이게 무슨 뜻일까요? 풀어서 설명하면 이래요:
- 지수의 분모 n은 거듭제곱근의 종류, 즉 ‘n제곱근’을 의미해요.
- 지수의 분자 m은 거듭제곱근 안의 수 a에 대한 지수, 즉 am을 의미해요.
만약 지수법칙 (ax)y = axy가 유리수 지수에서도 성립한다고 가정하면, (am/n)n = a(m/n)×n = am이 되어야겠죠? n번 제곱해서 am이 되는 양수 중 하나가 바로 am/n이므로, 이것은 am의 양의 n제곱근, 즉 n√am과 같아야 한다는 결론이 나와요! 그래서 이렇게 정의하게 된 거랍니다. 😉
특히, 분자 m=1인 경우, 즉 지수가 1/n 형태일 때는 다음과 같아요.
a1/n = n√a1 = n√a
✨ 예시로 이해하기: 분수 지수를 거듭제곱근으로!
- 91/2 = √9 = 3 (분모 2는 제곱근, 분자 1은 9의 1제곱)
- 272/3 = 3√272 = 3√729 = 9.
또는 272/3 = (3√27)2 = 32 = 9 와 같이 계산 순서를 바꿔도 결과는 같아요! - 16-3/4 = 4√16-3 = 4√(1/163) = 4√(1/4096) = 1/8.
또는 16-3/4 = (161/4)-3 = (4√16)-3 = 2-3 = 1/23 = 1/8.
이렇게 유리수 지수는 거듭제곱근을 사용하여 표현할 수 있고, 반대로 거듭제곱근도 유리수 지수를 사용하여 표현할 수 있게 되었어요! 지수의 세계가 한층 더 넓어졌죠?
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✅ 개념확인
✏️ 문제: 다음을 am/n (m, n은 서로소인 정수) 꼴로 나타내시오. (단, a > 0)
(1) 5√a
(2) 3√a4
(3) 4√a-2
(4) 16√a5
(지수 및 루트 변경: (1)⁴√a (2)⁵√a² (3)³√a⁻⁴ (4)1/⁷√a³)💡 풀이:
유리수 지수의 정의 n√am = am/n을 이용해 봅시다!
(1) 5√a
루트 안의 a는 a1과 같으므로, n=5, m=1.
따라서 a1/5
(2) 3√a4
여기서 n=3, m=4.
따라서 a4/3
(3) 4√a-2
여기서 n=4, m=-2.
따라서 a-2/4 = a-1/2 (분수를 약분했어요!)
(4) 16√a5
먼저 분모를 유리수 지수로 바꾸면 6√a5 = a5/6.
주어진 식은 1a5/6 이 되죠.
음수 지수의 정의 1/ax = a-x를 이용하면, a-5/6 입니다. 😄
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💡 참고
유리수 지수를 정의할 때 밑 a가 0보다 커야 한다는 조건(a > 0)이 왜 붙을까요? 🤔
만약 밑이 음수인데 지수가 유리수(분수)가 되면 조금 곤란한 상황이 생길 수 있어요. 예를 들어 (-8)1/3은 세제곱해서 -8이 되는 수이므로 -2라고 생각할 수 있지만, (-8)2/6으로 생각하면 어떨까요? 2/6 = 1/3이니까 같은 값이어야 할 것 같지만, ((-8)2)1/6 = (64)1/6 = 6√64 = 2가 되어 버리죠! -2와 2는 다른 값이잖아요?
이렇게 지수를 유리수로 확장했을 때 지수법칙이 일관되게 성립하고 값이 유일하게 결정되도록 하기 위해, 보통 밑이 양수인 경우에 대해서만 유리수 지수를 정의한답니다. 수학은 이렇게 모순이 생기지 않도록 약속을 잘 정하는 것이 중요해요! 😉