나뭇잎 교과서

거듭제곱과 거듭제곱근

같은 수를 여러 번 곱한 것이 거듭제곱입니다. 거꾸로 "n번 곱해서 a가 되는 수는 무엇인가"를 물으면 거듭제곱근이 나옵니다. 이 절에서는 \(x^n = a\)의 실근이 몇 개인지 그래프로 세어 보고, 거듭제곱근끼리 곱하고 나누고 거듭제곱하는 성질을 양변을 비교해 확인합니다.

본문

거듭제곱과 거듭제곱근

본문

제곱해서 4가 되는 실수는 2와 \(-2\) 두 개이다. 그렇다면 세제곱해서 8이 되는 실수, 네제곱해서 16이 되는 실수, 세제곱해서 \(-8\)이 되는 실수는 각각 몇 개일까? 지수가 홀수인지 짝수인지가 왜 답을 가를까?

그림 1. \(a\)의 \(n\)제곱근 가운데 실수는 \(y = x^n\)의 그래프와 직선 \(y = a\)의 교점의 \(x\)좌표이다.
먼저 알아야 할 것중학교의 제곱근과 그 성질, 자연수 지수의 거듭제곱 \(a^n\), 함수의 그래프와 교점, 복소수(공통수학1).

1.1.1거듭제곱근의 뜻

중학교에서 제곱해서 \(a\)가 되는 수를 \(a\)의 제곱근이라 했다. 같은 생각을 세제곱, 네제곱으로 넓혀 보자. \(n\)이 2 이상의 자연수일 때, \(n\)제곱해서 실수 \(a\)가 되는 수, 곧 방정식 \(x^n = a\)의 근을 \(a\)의 \(n\)제곱근이라 한다. 제곱근, 세제곱근, 네제곱근을 통틀어 거듭제곱근이라 한다.

복소수 범위에서는 \(n\)차방정식이 근을 \(n\)개 가지므로 \(a\)의 \(n\)제곱근도 \(n\)개이다. 가령 8의 세제곱근은 \(x^3 = 8\), 곧 \((x - 2)(x^2 + 2x + 4) = 0\)의 근이므로 2와 \(-1 \pm \sqrt{3}i\) 세 개이다. 그런데 그 가운데 실수는 2 하나뿐이다. 이 단원에서 주로 다루는 것은 실수인 거듭제곱근이다.

1.1.2실수인 거듭제곱근은 그래프로

\(x^n = a\)의 실근은 \(y = x^n\)의 그래프와 직선 \(y = a\)가 만나는 점의 \(x\)좌표이다. 그림 1에서 \(n\)을 바꾸어 보자. \(n\)이 홀수이면 \(y = x^n\)은 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 계속 올라가는 곡선이어서, 직선 \(y = a\)와 언제나 한 번 만난다. \(n\)이 짝수이면 곡선이 \(y\)축에 대칭인 U자 모양이어서, \(a > 0\)이면 두 번, \(a = 0\)이면 한 번 만나고, \(a < 0\)이면 만나지 않는다.

정리 1.1.1 실수 \(a\)의 \(n\)제곱근 가운데 실수
\(a > 0\)\(a = 0\)\(a < 0\)
\(n\)이 홀수\(\sqrt[n]{a}\)0\(\sqrt[n]{a}\)
\(n\)이 짝수\(\sqrt[n]{a},\ -\sqrt[n]{a}\)0없다

기호 \(\sqrt[n]{a}\)는 '\(n\)제곱근 \(a\)'라고 읽는다. \(n\)이 짝수이고 \(a > 0\)일 때 \(\sqrt[n]{a}\)는 두 실근 가운데 양수인 것을 뜻한다. 따라서 처음 질문에서 세제곱해서 8이 되는 실수는 \(\sqrt[3]{8} = 2\) 하나, 네제곱해서 16이 되는 실수는 \(\pm\sqrt[4]{16} = \pm 2\) 두 개, 세제곱해서 \(-8\)이 되는 실수는 \(\sqrt[3]{-8} = -2\) 하나이다.1

1.1.3거듭제곱근의 성질

\(a > 0\), \(b > 0\)이고 \(m\), \(n\)이 2 이상의 자연수일 때 다음이 성립한다.

정리 1.1.2 거듭제곱근의 성질

\[\sqrt[n]{a}\sqrt[n]{b} = \sqrt[n]{ab},\quad \frac{\sqrt[n]{a}}{\sqrt[n]{b}} = \sqrt[n]{\frac{a}{b}},\quad \left(\sqrt[n]{a}\right)^m = \sqrt[n]{a^m},\quad \sqrt[m]{\sqrt[n]{a}} = \sqrt[mn]{a}\]

첫째 성질은 정의로 확인한다. \(\left(\sqrt[n]{a}\sqrt[n]{b}\right)^n = \left(\sqrt[n]{a}\right)^n\left(\sqrt[n]{b}\right)^n = ab\)이므로 \(\sqrt[n]{a}\sqrt[n]{b}\)는 \(n\)제곱해서 \(ab\)가 되는 양수이다. 즉 \(\sqrt[n]{ab}\)이다. 나머지 성질도 같은 방법으로 '\(n\)제곱해서 무엇이 되는가'를 따져 보이면 된다.

부피 2, 한 변 ∛2 8개를 쌓으면 부피 16한 변 ∛16 = 2∛2
그림 2. 부피가 8배가 되면 한 변은 \(\sqrt[3]{8} = 2\)배가 되므로 \(\sqrt[3]{16} = \sqrt[3]{8}\sqrt[3]{2} = 2\sqrt[3]{2}\)이다.

1.1.4예제 풀이

예제 1.1.3

\(\sqrt[3]{54} - \sqrt[3]{16}\)과 \(\sqrt[3]{\sqrt{64}} \times \sqrt[6]{4}\)를 간단히 하여라. 또 \(-27\)의 세제곱근 가운데 실수와 81의 네제곱근 가운데 실수를 모두 구하여라.

\(54 = 27 \times 2\)이므로 \(\sqrt[3]{54} = \sqrt[3]{27}\sqrt[3]{2} = 3\sqrt[3]{2}\)이고, \(16 = 8 \times 2\)이므로 \(\sqrt[3]{16} = 2\sqrt[3]{2}\)이다. 따라서 \(\sqrt[3]{54} - \sqrt[3]{16} = \sqrt[3]{2}\)이다. 제곱근에서 \(\sqrt{18} = 3\sqrt{2}\)로 정리하던 것과 같은 방법이다.

\(\sqrt[3]{\sqrt{64}} = \sqrt[6]{64} = 2\)이다. 그러면 \(2 \times \sqrt[6]{4}\)인데, \(\sqrt[6]{4} = \sqrt[6]{2^2} = \sqrt[3]{2}\)이므로 답은 \(2\sqrt[3]{2}\)이다. 마지막 단계는 \(\left(\sqrt[3]{2}\right)^6 = 4\)인 것으로 확인할 수 있다.

\(-27\)의 세제곱근 가운데 실수는 \(n = 3\)이 홀수이므로 하나이고, \(\sqrt[3]{-27} = -3\)이다. 81의 네제곱근 가운데 실수는 \(n = 4\)가 짝수이고 \(81 > 0\)이므로 둘이고, \(\pm\sqrt[4]{81} = \pm 3\)이다. 아래 탐구 카드에서 그래프와 직선을 움직이며 교점의 개수를 직접 확인해 보자.

  1. \(\sqrt[n]{a}\)를 실수로 정하는 것은 \(n\)이 홀수이거나, \(n\)이 짝수이고 \(a \ge 0\)일 때뿐이다. \(n\)이 짝수이고 \(a < 0\)이면 \(\sqrt[n]{a}\)를 실수로 정하지 않는다.
마무리

\(a\)의 \(n\)제곱근 가운데 실수는 \(y = x^n\)과 \(y = a\)의 교점으로 보이며, 홀수 거듭제곱은 그래프가 계속 올라가 실근이 언제나 하나이고, 짝수 거듭제곱은 U자 모양이라 양수에는 둘, 음수에는 없다. 그래서 처음 질문의 답은 각각 2 하나, \(\pm 2\) 둘, \(-2\) 하나이다.

탐구 1

a의 n제곱근 가운데 실수는 몇 개일까?

거듭제곱근 · 그래프로 세기
교점 수 = 실근 수
—
\(n\)의 홀짝
—
\(a\)의 부호
—
실수인 \(n\)제곱근과 기호
—

그림 위를 위아래로 끌어도 수평선 \(y = a\)가 움직인다.

  1. 질문2를 세 번 곱하면 8이다. 그러면 세제곱해서 8이 되는 실수는 2 하나뿐일까? 네제곱해서 5가 되는 실수, 네제곱해서 \(-6\)이 되는 실수는 몇 개일까?
  2. 복원제곱해서 \(a\)가 되는 수를 \(a\)의 제곱근이라 했다. 양수 \(a\)의 제곱근은 \(\sqrt{a}\)와 \(-\sqrt{a}\) 두 개이고, 음수의 제곱근은 실수가 아니라 허수이다. 또 방정식 \(f(x) = a\)의 실근은 \(y = f(x)\)와 \(y = a\)의 교점의 \(x\)좌표이다.
  3. 설명\(n\)이 2 이상의 자연수일 때, \(x^n = a\)를 만족하는 수 \(x\)를 \(a\)의 \(n\)제곱근이라 하고, 제곱근, 세제곱근, 네제곱근 … 을 통틀어 거듭제곱근이라 한다. 복소수까지 넓히면 0이 아닌 \(a\)의 \(n\)제곱근은 \(n\)개 있고, 그 가운데 실수는 그래프의 교점 수만큼이다. \(n\)이 홀수이면 \(y = x^n\)이 계속 증가하므로 실수인 \(n\)제곱근은 \(a\)의 부호와 상관없이 하나이고, 이것을 \(\sqrt[n]{a}\)로 쓴다. 반면 \(n\)이 짝수이면 그래프가 \(y\)축에 대칭이고 \(y \ge 0\)에만 있으므로, \(a > 0\)이면 \(\sqrt[n]{a}\)(양수)와 \(-\sqrt[n]{a}\) 두 개, \(a = 0\)이면 0 하나, \(a < 0\)이면 하나도 없다.
  4. 연결\(\sqrt[2]{a}\)는 줄여서 \(\sqrt{a}\)로 쓴다. 세제곱근은 부피가 주어진 정육면체의 모서리를 구할 때, \(n\)제곱근은 \(n\)년 동안의 평균 증가율을 구할 때 나온다. 다음 절에서는 \(\sqrt[n]{a}\)를 지수 \(\frac{1}{n}\)을 써서 \(a^{1/n}\)로 나타낸다.
  5. 적용\(n = 3\)과 \(n = 4\)에서 \(a\)를 \(-9\)부터 9까지 움직이며 교점 수가 언제 바뀌는지 적어 보자. 짝수 하나, 홀수 하나를 더 골라 같은 규칙이 성립하는지 확인하고, \(n\)을 키울 때 \(a = 5\)의 양의 교점이 1에 가까워지는지도 보자.
  6. 판단"\(-8\)의 세제곱근 가운데 실수는 없다", "\(\sqrt[4]{16} = \pm 2\)"는 흔한 실수이다. 음수의 홀수 제곱근은 실수로 있고(\(\sqrt[3]{-8} = -2\)), 기호 \(\sqrt[n]{a}\)는 \(n\)이 짝수이면 양의 실근 하나만 가리킨다. 그래서 "16의 네제곱근"(\(\pm 2\), 허수 \(\pm 2i\)까지 네 개)과 "\(\sqrt[4]{16}\)"(2 하나)은 서로 다른 말이다.

확인조건이 달라지면

다음 중 옳은 것은?

탐구 2

거듭제곱근끼리 곱하면 왜 근호 하나로 합쳐질까?

거듭제곱근의 성질 · 양변 비교

—

좌변
—
우변
—
판정
—

아래 두 막대는 양변을 똑같이 거듭제곱한 값이다. 쓰지 않는 문자의 슬라이더는 흐리게 보인다.

  1. 질문\(\sqrt{2} \times \sqrt{8} = \sqrt{16} = 4\)였다. 세제곱근에서도 \(\sqrt[3]{2} \times \sqrt[3]{4} = \sqrt[3]{8} = 2\)처럼 근호 안끼리 곱해도 될까? 된다면 언제나 그럴까?
  2. 복원\(\sqrt[n]{a}\)는 \(n\)제곱해서 \(a\)가 되는 실수이므로 \((\sqrt[n]{a})^n = a\)이다. 또 \((xy)^n = x^ny^n\)은 자연수 지수에서 이미 아는 법칙이다.
  3. 설명양변을 \(n\)제곱해 비교해 보자. \((\sqrt[n]{a} \cdot \sqrt[n]{b})^n = (\sqrt[n]{a})^n(\sqrt[n]{b})^n = ab\)이므로, \(\sqrt[n]{a} \cdot \sqrt[n]{b}\)는 \(n\)제곱해서 \(ab\)가 되는 양수, 곧 \(\sqrt[n]{ab}\)이다. 같은 방법으로 \(a > 0\), \(b > 0\)이고 \(m, n\)이 2 이상의 자연수일 때 \(\sqrt[n]{a} \sqrt[n]{b} = \sqrt[n]{ab}\), \(\sqrt[n]{a} / \sqrt[n]{b} = \sqrt[n]{\frac{a}{b}}\), \((\sqrt[n]{a})^m = \sqrt[n]{a^m}\), \(\sqrt[m]{\sqrt[n]{a}} = \sqrt[mn]{a}\), \(\sqrt[np]{a^{mp}} = \sqrt[n]{a^m}\)이 성립한다(그림에서는 \(p = 2\)). 다섯 성질 모두 "양변이 모두 양수이고, 같은 수만큼 거듭제곱한 값이 같으면 원래 값도 같다"에서 나온다.
  4. 연결이 성질로 \(\sqrt[3]{54} = \sqrt[3]{27} \cdot \sqrt[3]{2} = 3\sqrt[3]{2}\)처럼 근호 안을 간단히 한다. 또 \(\sqrt[3]{3}\)과 \(\sqrt{2}\)처럼 근호가 다른 수는 마지막 성질로 \(\sqrt[6]{9}, \sqrt[6]{8}\)로 맞춰 크기를 비교한다. 다음 절에서 \(\sqrt[n]{a} = a^{1/n}\)로 쓰면 다섯 성질은 모두 지수법칙 하나로 정리된다.
  5. 적용곱의 성질에서 \(a = -4\), \(b = -9\), \(n = 2\)로 두고 양변을 비교한 뒤, 같은 \(a, b\)에서 \(n = 3\)으로 바꿔 보자. 다음에는 마지막 성질에서 \(a = -2\), \(n = 3\), \(m = 3\)으로 두고 윗줄과 아랫줄을 비교하며, 아랫줄이 같은데 윗줄이 다른 까닭을 생각해 보자.
  6. 판단아랫줄(거듭제곱한 값)이 같아도 윗줄이 같다고 할 수 없는 경우가 있다. 짝수 번 거듭제곱하면 3과 \(-3\)이 둘 다 9가 되듯 부호 정보가 사라지기 때문이다. 그래서 성질들은 \(a > 0\), \(b > 0\)일 때로 약속하고 쓴다. 이 조건을 잊고 \(\sqrt{-4} \sqrt{-9} = \sqrt{36} = 6\)이라고 쓰면 틀리고, 실제 값은 \(2i \cdot 3i = -6\)이다.

확인조건이 달라지면

\(\sqrt[3]{24} \times \sqrt[3]{9}\)의 값은?

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