나뭇잎 교과서

지수법칙

곱하는 수를 일일이 세던 거듭제곱은 지수끼리 더하고 곱하는 계산으로 바뀝니다. 이 절에서는 자연수 지수에서 인수를 세어 얻은 네 가지 지수법칙이 실수 지수에서도 그대로 성립하는 것을 그래프로 확인하고, 이 법칙으로 복잡한 식을 밑 하나의 거듭제곱으로 간단히 나타냅니다.

본문

지수법칙

본문

\(2^3 \times 2^4 = 2^7\)은 2를 세 번 곱하고 네 번 더 곱했으니 일곱 번 곱한 것이라고 셀 수 있다. 그런데 \(2^{0.5} \times 2^{1.2}\)는 곱한 횟수를 셀 수 없다. 그래도 \(2^{1.7}\)이라고 해도 될까? 지수법칙은 실수 지수에서 어떻게 쓰일까?

그림 1. \(y = 2^x\)에서 \(x = m\)과 \(x = n\)의 높이를 곱하면 \(x = m + n\)의 높이와 같다. 지수가 소수여도 성립한다.
먼저 알아야 할 것0, 음의 정수, 유리수, 실수 지수의 뜻(지수의 확장), 거듭제곱근의 성질(거듭제곱과 거듭제곱근), 소인수분해.

1.3.1지수법칙

자연수 지수에서 지수법칙은 곱한 횟수를 세어 얻었다. 지수를 실수로 넓힐 때 '지수법칙이 그대로 성립하도록' 뜻을 정했으므로, 그 결과 다음 법칙이 모든 실수 지수에서 성립한다.

정리 1.3.1 실수 지수의 지수법칙

\(a > 0\), \(b > 0\)이고 \(x\), \(y\)가 실수일 때 \[a^x a^y = a^{x+y},\quad a^x \div a^y = a^{x-y},\quad (a^x)^y = a^{xy},\quad (ab)^x = a^x b^x\]

그림 1에서 \(m\)과 \(n\)을 바꾸어 보자. 높이 \(2^m\)과 \(2^n\)을 곱한 값은 언제나 \(x = m + n\)에서의 높이 \(2^{m+n}\)과 같다. 즉 곱셈이 지수에서는 덧셈으로 나타난다. 처음 질문의 \(2^{0.5} \times 2^{1.2}\)도 \(2^{1.7} \approx 3.25\)이다.

1.3.2밑을 같게 만들기

지수법칙은 밑이 같을 때 지수끼리 계산하게 해 준다. 그래서 밑이 다른 식은 먼저 같은 밑으로 바꾼다. 4, 8, 16은 모두 2의 거듭제곱이고, 9, 27은 3의 거듭제곱이며, \(\sqrt[3]{4} = 2^{2/3}\)처럼 거듭제곱근도 분수 지수로 바꿀 수 있다. 다시 말해 소인수분해와 분수 지수가 식을 정리하는 열쇠이다.

밑끼리 곱하기aˣ · aʸ지수 더하기 x + y 거듭제곱하기(aˣ)ʸ지수 곱하기 xy n제곱근 하기ⁿ√(aˣ)지수 나누기 x / n
그림 2. 밑을 같게 맞추면 곱셈, 거듭제곱, 거듭제곱근이 지수의 덧셈, 곱셈, 나눗셈으로 바뀐다.

1.3.3주의할 점

지수법칙은 밑이 같거나 지수가 같을 때만 쓸 수 있다. \(2^3 + 2^4\)은 \(2^7\)이 아니다. 덧셈은 지수법칙의 대상이 아니므로 \(2^3 + 2^4 = 2^3(1 + 2) = 24\)처럼 공통인수로 묶어야 한다. 또 \((a + b)^x\)는 \(a^x + b^x\)가 아니다.1

1.3.4예제 풀이

예제 1.3.2

\(\sqrt[3]{4} \times 8^{1/6} \div 2^{-1/3}\)을 \(2^k\) 꼴로 나타내고 값을 구하여라. 또 \(a^{2x} = 3\)일 때 \(\dfrac{a^{3x} + a^{-3x}}{a^x + a^{-x}}\)의 값을 구하여라.

모두 밑 2로 바꾼다. \(\sqrt[3]{4} = 2^{2/3}\), \(8^{1/6} = (2^3)^{1/6} = 2^{1/2}\)이다. 그러면 식은 \(2^{2/3 + 1/2 - (-1/3)} = 2^{3/2}\)이다. 따라서 \(k = \tfrac{3}{2}\)이고 값은 \(2\sqrt{2}\)이다.

두 번째 식은 분자를 인수분해해 분모와 약분한다. 분자 \(a^{3x} + a^{-3x}\)는 \(t = a^x\)로 두면 \(t^3 + t^{-3}\)이고, 합의 세제곱 공식에서 \(t^3 + t^{-3} = (t + t^{-1})(t^2 - 1 + t^{-2})\)이다. 따라서 식은 \(t^2 - 1 + t^{-2} = a^{2x} - 1 + a^{-2x}\)이다.

\(a^{2x} = 3\)이므로 \(a^{-2x} = \tfrac{1}{3}\)이고, 값은 \(3 - 1 + \tfrac{1}{3} = \tfrac{7}{3}\)이다. 지수가 문자여도 \(a^x\)를 한 문자로 보면 공통수학1의 곱셈 공식이 그대로 쓰인다. 아래 탐구 카드에서 그래프의 높이를 곱해 보며 지수법칙을 직접 확인해 보자.

  1. \(a^x b^x = (ab)^x\)는 지수가 같을 때, \(a^x a^y = a^{x+y}\)는 밑이 같을 때의 법칙이다. 밑도 지수도 다른 \(2^3 \times 3^2\)는 더 줄일 수 없다.
마무리

지수를 실수로 넓힐 때 지수법칙이 성립하도록 뜻을 정했으므로, 밑이 양수이면 모든 실수 지수에서 곱셈은 지수의 덧셈, 거듭제곱은 지수의 곱셈이 된다. 식은 밑을 소인수로 맞추고 거듭제곱근을 분수 지수로 바꾸어 정리한다. 그래서 처음 질문의 \(2^{0.5} \times 2^{1.2}\)도 횟수를 세지 않고 \(2^{1.7}\)로 쓸 수 있다.

탐구 1

거듭제곱끼리 곱하면 지수는 왜 더해질까?

지수법칙 · 인수 세기

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남은 인수의 개수
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법칙으로 계산 (\(a = 2\), \(b = 3\))
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직접 계산
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  1. 질문\(2^3 \times 2^4\)을 계산할 때 \(8 \times 16 = 128\)을 구한 뒤 2의 몇 제곱인지 다시 찾아야 할까? 지수만 보고 바로 답할 수는 없을까?
  2. 복원\(a^n\)은 \(a\)를 \(n\)번 곱한 수이다. 그리고 곱셈은 순서를 바꾸어도, 괄호를 다시 묶어도 결과가 같다(교환법칙, 결합법칙).
  3. 설명그림의 동그라미 하나가 곱해지는 인수 하나이다. \(a^m \times a^n\)은 \(a\)가 \(m\)개 뒤에 \(n\)개 더 붙으므로 \(a^{m+n}\)이고, \((a^m)^n\)은 \(m\)개짜리 묶음이 \(n\)줄이므로 \(a^{mn}\)이다. 또 \((ab)^n\)은 짝 \(ab\)를 \(n\)번 곱한 것을 \(a\)끼리, \(b\)끼리 다시 모으면 \(a^nb^n\)이다. 나눗셈은 분자와 분모에서 같은 인수를 지우므로 \(a^{m-n}\)이고, 분모 쪽이 많이 남으면 음의 지수가 된다. 앞 절에서 지수를 넓힐 때 이 법칙이 깨지지 않도록 뜻을 정했으므로, \(a > 0\), \(b > 0\)이고 \(x, y\)가 실수일 때도 \(a^xa^y = a^{x+y}\), \(a^x \div a^y = a^{x-y}\), \((a^x)^y = a^{xy}\), \((ab)^x = a^xb^x\)가 성립한다.
  4. 연결그래서 컴퓨터의 저장 용량 \(2^{10} \times 2^{10} = 2^{20}\)이나 과학 표기 \((3 \times 10^8)^2 = 9 \times 10^{16}\)처럼 큰 수의 곱셈은 지수의 덧셈과 곱셈으로 바뀐다. 이 생각을 거꾸로 쓰는 것이 로그이다.
  5. 적용네 법칙을 하나씩 골라 \(m, n\)을 바꾸며 동그라미 수와 지수가 늘 일치하는지 확인해 보자. 나눗셈에서 \(n\)을 \(m\)보다 크게 하면 남은 인수가 분모로 가고, 지수는 음수가 된다.
  6. 판단\(a^m + a^n = a^{m+n}\), \((a + b)^n = a^n + b^n\)은 틀린 식이다. 지수법칙은 곱셈과 나눗셈에서만 성립하기 때문이다. 가령 \(2^3 + 2^4 = 24\)이지만 \(2^7 = 128\)이다. 또 \((a^m)^n\)과 \(a^{m^n}\)은 달라서, \((2^3)^2 = 64\)이고 \(2^9 = 512\)이다.

확인조건이 달라지면

\(a > 0\)일 때 \((a^2)^3 \times a^{-4} \div a\)를 간단히 하면?

탐구 2

지수가 소수여도 높이를 곱하면 지수가 더해질까?

실수 지수의 지수법칙 · 그래프의 높이
\(a^x \times a^y\)
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\(a^{x+y}\)
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\(a^x + a^y\)
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초록 막대는 \(a^x\), 파란 막대는 \(a^y\), 주황 막대는 \(a^{x+y}\)의 높이이다. 그림을 좌우로 끌면 \(x\)가 움직인다.

  1. 질문\(2^3 \times 2^4 = 2^7\)은 인수를 세어 확인할 수 있다. 그런데 \(2^{0.7} \times 2^{1.6}\)은 인수를 셀 수 없다. 이때도 \(2^{2.3}\)이 될까?
  2. 복원앞 절에서 지수를 0, 음의 정수, 유리수, 실수로 넓힐 때마다 \(a^ma^n = a^{m+n}\)이 깨지지 않도록 뜻을 정했다. 그래서 밑이 양수이면 \(a^x\)는 모든 실수 \(x\)에서 하나로 정해진다.
  3. 설명그래프 \(y = a^x\) 위에서 \(x\)와 \(y\)의 높이를 곱한 값은 \(x + y\)에서의 높이와 언제나 같다. 지수가 정수일 때는 인수를 세어 보였고, 유리수일 때는 거듭제곱근의 성질로, 실수일 때는 유리수로 감싸는 방법으로 같은 결론을 얻는다. 따라서 \(a > 0\), \(b > 0\)이고 \(x, y\)가 실수일 때 \(a^xa^y = a^{x+y}\), \(a^x \div a^y = a^{x-y}\), \((a^x)^y = a^{xy}\), \((ab)^x = a^xb^x\)가 모두 성립한다. 높이를 곱하는 일이 가로 위치를 더하는 일로 바뀌는 것, 그것이 지수법칙을 그림으로 본 모습이다.
  4. 연결세균이 하루에 2배로 늘면 0.7일 뒤에는 \(2^{0.7}\)배, 다시 1.6일 뒤에는 그 \(2^{1.6}\)배가 되어 합계 \(2^{2.3}\)배이다. 즉 시간을 더하면 배율은 곱해진다. 이 관계가 지수함수를 성장과 감소의 모형으로 쓰는 까닭이다.
  5. 적용\(x, y\)를 바꾸며 처음 두 값이 늘 같은지 확인하고, \(x = -y\)로 두어 주황 막대의 높이가 얼마인지 보자. 그리고 \(a^x + a^y\)가 \(a^{x+y}\)와 같아지는 경우가 있는지도 찾아보자.
  6. 판단지수법칙은 밑이 양수일 때로 약속한 것이다. 밑이 음수이면 \(((-8)^2)^{1/6} = 2\)인데 \((-8)^{2 \times 1/6} = (-8)^{1/3}\)으로 계산하면 \(-2\)가 되어 법칙이 깨진다. 또 덧셈 \(a^x + a^y\)에는 지수법칙이 없다. 우연히 같아지는 값이 있더라도 그것은 법칙이 아니다.

확인조건이 달라지면

\(3^{\sqrt{2}} \times 3^{2 - \sqrt{2}}\)의 값은?

탐구 3

복잡한 거듭제곱 식을 밑 하나로 정리하려면?

지수법칙 · 지수 장부

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2의 지수
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3의 지수
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지금까지 정리한 값
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식의 수를 모두 소인수 2와 3의 거듭제곱으로 바꾼 뒤, 각 밑의 지수를 따로 적어 간다.

  1. 질문\(4^{3/2} \times 8^{-1/3} \div \sqrt{2}\)는 밑도 지수도 제각각이다. 계산기 없이 정리할 수 있을까?
  2. 복원밑이 양수이고 지수가 실수일 때 \(a^xa^y = a^{x+y}\), \(a^x \div a^y = a^{x-y}\), \((a^x)^y = a^{xy}\), \((ab)^x = a^xb^x\)이다. 그리고 거듭제곱근은 \(\sqrt[n]{a} = a^{1/n}\)으로 쓸 수 있다.
  3. 설명정리하는 순서는 늘 같다. 먼저 근호를 유리수 지수로 바꾸고, 밑을 소인수의 거듭제곱으로 바꾼다(\(4 = 2^2\), \(8 = 2^3\), \(27 = 3^3\)). 그다음 \((a^x)^y = a^{xy}\)로 지수를 곱하고 \((ab)^x = a^xb^x\)로 밑을 나눈 뒤, 같은 밑끼리 곱셈은 지수를 더하고 나눗셈은 지수를 뺀다. 그림의 수직선은 밑마다 지수를 적어 두는 장부이다. 곱하면 오른쪽, 나누면 왼쪽으로 화살표가 이어지고, 마지막 위치가 답의 지수이다.
  4. 연결이 방법은 단위 환산(\(1\,\text{km}^2 = (10^3\,\text{m})^2 = 10^6\,\text{m}^2\))이나 과학 표기 계산에서 그대로 쓰인다. 또 밑을 하나로 맞추는 생각은 지수방정식을 풀 때도 첫 단계가 된다.
  5. 적용세 식을 하나씩 골라 "다음 단계"를 누르며 화살표가 어느 쪽으로 얼마나 움직이는지 보자. 마지막 값이 처음 식을 직접 계산한 값과 같은지 아래 수치에서 확인하고, 세 번째 식에는 왜 장부가 두 줄 필요한지도 생각해 보자.
  6. 판단\(4^{3/2}\)을 \(\frac{4^3}{2} = 32\)나 \(4 \times \frac{3}{2} = 6\)으로 계산하는 실수가 흔하지만, \(4^{3/2} = (2^2)^{3/2} = 2^3 = 8\)이다. 또 밑이 다른 거듭제곱(\(2^3 \times 3^2\))은 지수를 더해 합칠 수 없다. 밑이 같아질 때까지 소인수로 나눈 뒤에만 지수를 더한다.

확인조건이 달라지면

\(16^{3/4} \div 32^{2/5} \times \sqrt[3]{4}\)를 \(2^k\) 꼴로 나타낼 때 \(k\)는?

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