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제곱근

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수학에서, 어떤 수의제곱근(-根,영어:square root) 또는자승근은 제곱하여 그 수가 되는 모든 수이다.거듭제곱의 역연산이다. 즉,실수복소수a{\displaystyle a}에서, '제곱한 수a{\displaystyle a}의 뿌리가 되는 모든 수'를 뜻한다.실수의 범위에서만 보면, 모든 양의 실수는 서로덧셈 역원인 두 제곱근을 가지며, 이 중 음이 아닌 하나를주요 제곱근(主要제곱根,영어:principal square root)이라고 한다. 그러나 0의 제곱근은 0뿐이므로 이를 주요 제곱근으로 삼으며, 음의 실수의 실수 제곱근은 존재하지 않으므로 주요 제곱근을 정의할 수 없다. 예를 들어, 실수 9의 제곱근은 ±3이며, 이 중 주요 제곱근은 3이다. 또한 −4의 제곱근은 존재하지 않는다.복소수의 범위에서 보면, 모든 0이 아닌 복소수는 서로중심 대칭인 두 제곱근을 가지며, 이 중 편각이 원래의 반인 하나를 주요 제곱근으로 삼는다. 예를 들어, 복소수2i{\displaystyle 2i}의 제곱근은±(1+i){\displaystyle \pm (1+i)}이며, 이 중 주요 제곱근은 1 +i이다.

미지수x{\displaystyle x}의 주요 제곱근은근호를 써서x{\displaystyle {\sqrt {x}}} (x)라고 적고,x{\displaystyle x}의 제곱근 이라고 읽는다.

역사

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YBC 7289 점토판.

기원전 1800년과 기원전 1600년 사이에 작성된YBC 7289 점토판에는2의 근삿값을 계산한 결과가 적혀 있다.[1]60진법 (1;24,51,10)을 10진법으로 바꾸면 1.41421296..으로 실제2의 값 1.41421356..과 소숫점 아래 다섯 자리까지 일치한다.

2무리수라는 것을 처음으로 증명한 사람은피타고라스의 제자히파소스로 알려져 있다.

페르시아의 수학자콰리즈미(783~850)는 《약분·소거 계산론(영어판)》에서 제곱근을 ‘자드르(جذر)’라고 불렀다. ‘자드르(جذر)’는 ‘근본’·‘기반’·‘뿌리’ 등을 뜻하는데 이것에 유럽에 전해지면서 ‘뿌리’라는 뜻의 라틴어 단어 ‘라딕스(radix)’로 번역되었다.[2]

아랍 수학자들은 ‘자드르(جذر)’의 첫글자인 짐()을 제곱근을 위한 기호로 썼는데, 이렇게 쓰인 가장 오래된 문헌으로는이븐 알야사민(아랍어판)(?~1204)의 저작이 있다.[3] 한편 유럽에서는레기오몬타누스(1436~1476)가 대문자 R을 제곱근 기호로 쓰기 시작했다. 현대적인근호 √의 기원은 아랍 문자이 변형된 것이라는 설과 소문자 r이 변형된 것이라는 설 등이 있다. 현대적인 근호가 제일 먼저 쓰인 책은크리스토프 루돌프(독일어판)의 독일어 대수학 교과서인 《Behend vnnd Hübsch Rechnung durch die kunstreichen regeln Algebre, so gemeincklich die Coss genennt werden》(1525)이다.

정의

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실수의 경우

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음수가 아닌실수x{\displaystyle x}의 주요 제곱근x{\displaystyle {\sqrt {x}}}실수의 완비성에 따라 존재하며, 다음과 같다.

x=sup{yR:y2<x}{\displaystyle {\sqrt {x}}=\sup\{y\in \mathbb {R} \colon y^{2}<x\}}

여기서sup{\displaystyle \sup }는 집합의상한이다. 남은 한 제곱근은 물론x{\displaystyle -{\sqrt {x}}}이다. 음의 실수의 제곱근은 실수 범위에서 존재하지 않는다.

복소수의 경우

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극 형식으로 나타낸 임의의복소수z=reiθ{\displaystyle z=re^{i\theta }}의 주요 제곱근z{\displaystyle {\sqrt {z}}}은 다음과 같다.

z=reiθ/2{\displaystyle {\sqrt {z}}={\sqrt {r}}e^{i\theta /2}}

남은 한 제곱근은

z=rei(θ/2+π){\displaystyle -{\sqrt {z}}={\sqrt {r}}e^{i(\theta /2+\pi )}}

이다. 이 경우 음의 실수 역시 제곱근을 가지며, 예를 들어 -3의 주요 제곱근은3i{\displaystyle {\sqrt {3}}i}이다.

성질

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함수f(x)=x{\displaystyle f(x)={\sqrt {x}}}의 그래프
  • 제곱근함수는 다음과 같은 성질이 성립한다.
음이 아닌 두 실수x{\displaystyle x}y{\displaystyle y}에 대하여xy=xy{\displaystyle {\sqrt {xy}}={\sqrt {x}}{\sqrt {y}}}이다.
음이 아닌 실수x{\displaystyle x}에 대하여x2=x2=x{\displaystyle {\sqrt {x^{2}}}={\sqrt {x}}^{2}=x}이다.
일반적으로 실수x{\displaystyle x}에 대하여x2=|x|{\displaystyle {\sqrt {x^{2}}}=|x|}이다.
자연수x{\displaystyle x}에 대해x{\displaystyle {\sqrt {x}}}는 자연수이거나 실수이다.

제곱근의 계산

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제곱근의 풀이법은아르키메데스의 저서에서도 언급된 바 있으며,헤론바빌로니아 법과 거의 비슷한 풀이를 저서에서 제시하기도 했다. 나눗셈과 비슷한 방법으로 제곱근을 구하는 전통적인 방법인개평법도 있다. 개평법은 16세기에 발견된 풀이로써 (a1+a2+…+ak)2 =a12+(2a1+a2)a2+(2a1+2a2+a3)a3 +…+(2a1+2a2+…+ak)ak라는 항등식으로부터 유도되었다. 그러나 이 방법은 각 자리의 숫자를 정확히 구할 수 있는 대신 과정이 복잡하고계산 효율이 낮아 현대에는 거의 사용되지 않는다. 대신에, 제곱근에 빠르게수렴하는수열을 만들어근삿값을 구하는 방법인바빌로니아 법을 이용하는 것이 보통이다. 이것은뉴턴랩슨 법을 이용하여이차방정식근사해를 구하는 것과 동일하다.

양의 실수a{\displaystyle a}에 대하여 다음 과정을 따라a{\displaystyle {\sqrt {a}}}의 근삿값을 구할 수 있다.

  1. 임의의 양의 실수x0{\displaystyle x_{0}}를 택한다. 이 값이a{\displaystyle {\sqrt {a}}}에 가까울수록 더 빨리 근삿값을 구할 수 있다.
  2. xn+1=12(xn+axn){\displaystyle x_{n+1}={\frac {1}{2}}\left(x_{n}+{\frac {a}{x_{n}}}\right)}라 한다.
  3. 원하는 정밀도까지 위의 과정을 반복한다.

위에서 구한 수열{xn}{\displaystyle \left\{x_{n}\right\}}limnxn=a{\displaystyle \lim _{n\to \infty }x_{n}={\sqrt {a}}}를 만족한다.


다음은 위의 방법에 따라2{\displaystyle \color {Blue}{\sqrt {2}}}의 근삿값을 구한 것이다.

x0=1x1=3/2x2=17/12x3=577/408x4=665857/470832x5=886731088897/6270135660481.4142135623 7309504880 16896235{\displaystyle {\begin{aligned}x_{0}&=&1&\\x_{1}&=&3&/2\\x_{2}&=&17&/12\\x_{3}&=&577&/408\\x_{4}&=&665857&/470832\\x_{5}&=&886731088897&/627013566048\approx 1.4142135623~7309504880~16896235\end{aligned}}}

2{\displaystyle \color {Blue}{\sqrt {2}}}의 참값과 소수점 아래 23자리까지 일치한다.

제곱근표
0123456789
1.01.00001.00491.00991.01481.01981.02461.02951.03441.03921.0440
1.11.04881.05351.05831.06301.06771.07231.07701.08161.08621.0908
1.21.09541.10001.10451.10901.11351.11801.12241.12691.13131.1357
1.31.1401.1451.1491.1531.1581.1621.1661.1701.1751.179
1.41.1831.1871.1921.1961.2001.2041.2081.2121.2171.221
1.51.2251.2291.2331.2371.2411.4321.4351.4391.4421.446

이분법 또는뉴턴 방법을 사용할 수도 있다.

1부터 21까지의 자연수의 제곱근

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다음은 소수점 아래 75자리까지 계산한 1부터21까지의 (양의) 제곱근을 나타낸 것이다.

1{\displaystyle {\sqrt {1}}}=1
2{\displaystyle {\sqrt {2}}}1.4142135623 7309504880 1688724209 6980785696 7187537694 8073176679 7379907324 78462
3{\displaystyle {\sqrt {3}}}1.7320508075 6887729352 7446341505 8723669428 0525381038 0628055806 9794519330 16909
4{\displaystyle {\sqrt {4}}}=2
5{\displaystyle {\sqrt {5}}}2.2360679774 9978969640 9173668731 2762354406 1835961152 5724270897 2454105209 25638
6{\displaystyle {\sqrt {6}}}2.4494897427 8317809819 7284074705 8913919659 4748065667 0128432692 5672509603 77457
7{\displaystyle {\sqrt {7}}}2.6457513110 6459059050 1615753639 2604257102 5918308245 0180368334 4592010688 23230
8{\displaystyle {\sqrt {8}}}2.8284271247 4619009760 3377448419 3961571393 4375075389 6146353359 4759814649 56924
9{\displaystyle {\sqrt {9}}}=3
10{\displaystyle {\sqrt {10}}}3.1622776601 6837933199 8893544432 7185337195 5513932521 6826857504 8527925944 38639
11{\displaystyle {\sqrt {11}}}3.3166247903 5539984911 4932736670 6866839270 8854558935 3597058682 1461164846 42609
12{\displaystyle {\sqrt {12}}}3.4641016151 3775458705 4892683011 7447338856 1050762076 1256111613 9589038660 33818
13{\displaystyle {\sqrt {13}}}3.6055512754 6398929311 9221267470 4959462512 9657384524 6212710453 0562271669 48293
14{\displaystyle {\sqrt {14}}}3.7416573867 7394138558 3748732316 5493017560 1980777872 6946303745 4673200351 56307
15{\displaystyle {\sqrt {15}}}3.8729833462 0741688517 9265399782 3996108329 2170529159 0826587573 7661134830 91937
16{\displaystyle {\sqrt {16}}}=4
17{\displaystyle {\sqrt {17}}}4.1231056256 1766054982 1409855974 0770251471 9922537362 0434398633 5730949543 46338
18{\displaystyle {\sqrt {18}}}4.2426406871 1928514640 5066172629 0942357090 1562613084 4219530039 2139721974 35386
19{\displaystyle {\sqrt {19}}}4.3588989435 4067355223 6981983859 6156591370 0392523244 4936890344 1381595573 28203
20{\displaystyle {\sqrt {20}}}4.4721359549 9957939281 8347337462 5524708812 3671922305 1448541794 4908210418 51276
21{\displaystyle {\sqrt {21}}}4.5825756949 5584000658 8047193728 0084889844 5657676797 1902607242 1239068684 25547

같이 보기

[편집]

각주

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  1. “Analysis of YBC 7289”. 《ubc.ca》. 2015년 1월 19일에 확인함. 
  2. Gandz, Solomon (1928년 2월).“On the Origin of the Term "Root." Second Article”. 《The American Mathematical Monthly》35 (2): 67-75. 
  3. *Oaks, Jeffrey A. (2012).《Algebraic Symbolism in Medieval Arabic Algebra》(PDF) (학위논문). Philosophica. 36쪽. 2016년 12월 3일에원본 문서(PDF)에서 보존된 문서. 

외부 링크

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