수학 개념 노트전체 과목

지수의 확장과 지수법칙

STEP 1

개념 읽기

번호 순서대로 읽어요. 색 상자는 꼭 외울 것, 점선 상자는 이해만 하면 되는 예시예요.

이 개념에서 배울 것
지수법칙이 그대로 성립하도록 a0=1a^0=1, a−n=1ana^{-n}=\dfrac{1}{a^n}, amn=amn (a>0)a^{\frac{m}{n}}=\sqrt[n]{a^m}\ (a>0) 으로 지수를 정수·유리수·실수까지 넓혀요. 밑이 양수이면 axay=ax+ya^xa^y=a^{x+y}, (ax)y=axy(a^x)^y=a^{xy} 등의 지수법칙이 모든 실수 지수에서 성립해요.
  1. 100 또는 음의 정수인 지수
  2. 2유리수인 지수
  3. 3실수인 지수
  4. 4지수법칙
  5. 5ax+a−xa^x+a^{-x} 꼴의 식
  6. ✓한눈에 정리
정의 — 뜻, 외우기성질·공식 — 외우기주의 — 틀리기 쉬운 곳예 — 이해만점선 밑줄 다른 개념과 이어진 말 — 오른쪽 카드(휴대폰은 오른쪽 ‹ 탭)에서 청록 앞 개념 · 주황 뒤 개념형광 핵심 용어

100 또는 음의 정수인 지수

지수가 자연수일 때 ana^n 은 「aa 를 nn 번 곱한 것」이고, 이때 지수법칙이 성립해요.
이제 지수의 범위를 정수, 유리수, 실수로 넓혀요.
넓힐 때의 원칙은 이미 알던 지수법칙이 그대로 성립하도록 정하는 거예요.

정의00 과 음의 정수 지수
a≠0a\ne0 이고 nn 이 자연수일 때 a0=1,a−n=1ana^0=1,\qquad a^{-n}=\frac{1}{a^n}어떤 수든 (00 이 아니면) 00 제곱은 1이다.
000^0 과 0−n0^{-n} 은 정의하지 않는다.
학생
왜 a0a^0 을 11 로 정해요? 00 번 곱하면 00 아니에요?
쌤
지수법칙 am÷an=am−na^m\div a^n=a^{m-n} 이 그대로 성립하게 하려고요. a2÷a2=1a^2\div a^2=1 이니까 a0=1a^0=1 이어야 해요. 같은 이유로 a−na^{-n} 은 ana^n 의 역수예요.
공식정수 지수의 지수법칙 (a≠0, b≠0a\ne0,\ b\ne0, m, nm,\ n 은 정수)
곱
aman=am+n\displaystyle a^ma^n=a^{m+n}
몫
am÷an=am−n\displaystyle a^m\div a^n=a^{m-n}
자연수 지수일 때처럼 m>nm>n 인 경우로 나누어 따질 필요가 없다.
거듭제곱
(am)n=amn\displaystyle (a^m)^n=a^{mn}
곱의 거듭제곱
(ab)n=anbn\displaystyle (ab)^n=a^nb^n
예정수 지수 계산
10−2=1102=110010^{-2}=\dfrac{1}{10^2}=\dfrac{1}{100}
(23)−2=1(23)2=94\left(\dfrac{2}{3}\right)^{-2}=\dfrac{1}{\left(\frac{2}{3}\right)^2}=\dfrac{9}{4}
(−2)−3=1(−2)3=−18(-2)^{-3}=\dfrac{1}{(-2)^3}=-\dfrac{1}{8}
a−2×a5=a−2+5=a3a^{-2}\times a^5=a^{-2+5}=a^3
(a2b−1)−2=a−4b2=b2a4(a^2b^{-1})^{-2}=a^{-4}b^2=\dfrac{b^2}{a^4}
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
3−23^{-2} 의 값은?
음의 지수는 음수가 아니다
✗ 틀린 풀이
2−3=−82^{-3}=-8
왜 틀렸나 음의 지수는 역수를 뜻하므로 a−n=1ana^{-n}=\dfrac{1}{a^n} 이고 그 값은 양수이다.
✓ 바른 풀이
2−3=123=182^{-3}=\dfrac{1}{2^3}=\dfrac{1}{8}
지수의 −- 는 값의 부호가 아니라 「역수」를 뜻한다.
검산: 18×23=1\dfrac{1}{8}\times2^3=1 이므로 2−3×23=20=12^{-3}\times2^3=2^0=1 과 맞는다.
00 제곱
✗ 틀린 풀이
30=03^0=0
왜 틀렸나 a≠0a\ne0 일 때 a0=1a^0=1 로 정의하므로 00 제곱의 값은 항상 11 이다.
✓ 바른 풀이
30=13^0=1
a0=1a^0=1 은 am÷am=1a^m\div a^m=1 에서 나온 정의예요.
자세히 보기펼치기예제
왜 이렇게 정하는가
23=82^3=8
22=42^2=4
↳지수가 11 줄면 값은 12\frac{1}{2} 배
21=22^1=2
↳12\frac{1}{2} 배
20=12^0=1
↳12\frac{1}{2} 배
2−1=122^{-1}=\dfrac{1}{2}
↳12\frac{1}{2} 배
2−2=142^{-2}=\dfrac{1}{4}
↳12\frac{1}{2} 배
a3÷a3=a3−3=a0,a3÷a3=1a^3\div a^3=a^{3-3}=a^0,\quad a^3\div a^3=1
↳지수법칙으로 확인: a0=1a^0=1
a2÷a5=a−3,a2÷a5=1a3a^2\div a^5=a^{-3},\quad a^2\div a^5=\dfrac{1}{a^3}
↳a−3=1a3a^{-3}=\dfrac{1}{a^3}
규칙을 이어 가도, 지수법칙 am÷an=am−na^m\div a^n=a^{m-n} 으로 계산해도 같은 결과가 나와요.

2유리수인 지수

정의유리수 지수
a>0a>0 이고 mm 은 정수, nn 은 22 이상의 자연수일 때 amn=amn,a1n=ana^{\frac{m}{n}}=\sqrt[n]{a^m},\qquad a^{\frac{1}{n}}=\sqrt[n]{a}분모 nn 은 근호의 지수, 분자 mm 은 근호 안의 지수가 된다.
학생
왜 지수의 분모가 근호의 지수가 돼요?
쌤
(a13)3=a13×3=a\left(a^{\frac{1}{3}}\right)^3=a^{\frac{1}{3}\times3}=a 가 되게 정했기 때문이에요. 세제곱해서 aa 가 되는 양수는 a3\sqrt[3]{a} 이니까 a13=a3a^{\frac{1}{3}}=\sqrt[3]{a} 예요.
예근호 ↔ 지수
근호를 지수로
a3=a32\sqrt{a^3}=a^{\frac{3}{2}}
a54=a54\sqrt[4]{a^5}=a^{\frac{5}{4}}
1a23=a−23\dfrac{1}{\sqrt[3]{a^2}}=a^{-\frac{2}{3}}
지수를 근호로 바꾸어 값 구하기
823=823=(83)2=22=48^{\frac{2}{3}}=\sqrt[3]{8^2}=(\sqrt[3]{8})^2=2^2=4
27−23=1(273)2=1927^{-\frac{2}{3}}=\dfrac{1}{(\sqrt[3]{27})^2}=\dfrac{1}{9}
160.75=1634=(164)3=816^{0.75}=16^{\frac{3}{4}}=(\sqrt[4]{16})^3=8
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
272327^{\frac{2}{3}} 의 값은?
유리수 지수의 값
✗ 틀린 풀이
823=8×23=1638^{\frac{2}{3}}=8\times\dfrac{2}{3}=\dfrac{16}{3}
왜 틀렸나 유리수 지수는 거듭제곱근을 뜻하므로 밑에 곱하지 말고 (am)n=amn(a^m)^n=a^{mn} 으로 계산한다.
✓ 바른 풀이
823=(23)23=22=48^{\frac{2}{3}}=(2^3)^{\frac{2}{3}}=2^2=4
지수는 곱하는 수가 아니에요. 밑을 소수의 거듭제곱 꼴로 바꾼 뒤 지수끼리 곱해요.
검산: 43=64=824^3=64=8^2 이므로 44 는 828^2 의 세제곱근이에요.
⚠ 주의밑이 양수여야 하는 이유
유리수 지수에서 밑은 양수 이어야 해요.
밑이 음수이면 같은 유리수인데 값이 달라지는 일이 생겨요.
13=26\dfrac{1}{3}=\dfrac{2}{6} 인데
(−8)13(-8)^{\frac{1}{3}} 을 −83=−2\sqrt[3]{-8}=-2 로 정하면
(−8)26=(−8)26=646=2(-8)^{\frac{2}{6}}=\sqrt[6]{(-8)^2}=\sqrt[6]{64}=2
가 되어 모순이에요. 그래서 (−8)13(-8)^{\frac{1}{3}} 같은 표현은 쓰지 않아요.
자세히 보기펼치기왜 그런지예제

왜 이렇게 정하는가
지수법칙 (am)n=amn(a^m)^n=a^{mn} 이 유리수 지수에서도 성립하도록 정하면 a13a^{\frac{1}{3}} 은 aa 의
세제곱근이 돼요.

(a13)3=a13×3=a\left(a^{\frac{1}{3}}\right)^3=a^{\frac{1}{3}\times3}=a
↳지수법칙이 성립하려면
a13=a3a^{\frac{1}{3}}=\sqrt[3]{a}
↳세제곱하여 aa 가 되는 수
amn=(a1n)m=(an)m=amna^{\frac{m}{n}}=\left(a^{\frac{1}{n}}\right)^m=(\sqrt[n]{a})^m=\sqrt[n]{a^m}
↳같은 방법

3실수인 지수

지수가 무리수일 때도 값을 정할 수 있어요.
2=1.41421⋯\sqrt{2}=1.41421\cdots 에 가까워지는 유리수를 지수로 하면 거듭제곱의 값이 일정한 값에
한없이 가까워져요.

222^{\sqrt{2}} 에 다가가기
21.4≈2.6392^{1.4}\approx2.639
21.41≈2.6572^{1.41}\approx2.657
21.414≈2.6652^{1.414}\approx2.665
22≈2.6652^{\sqrt{2}}\approx2.665
↳이 값을 222^{\sqrt{2}} 로 정해요
학생
그냥 21.4142^{1.414} 로 계산하면 안 돼요?
쌤
21.4142^{1.414} 는 222^{\sqrt{2}} 에 가까운 값일 뿐 같은 수는 아니에요. 지수를 2\sqrt{2} 에 더 가깝게 할수록 값이 222^{\sqrt{2}} 에 더 다가가요.

이렇게 하면 a>0a>0 일 때 모든 실수 xx 에 대하여 axa^x 가 정해지고, 지수법칙도 그대로 성립해요.

바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
a>0a>0 일 때 a2×a2a^{\sqrt{2}}\times a^{\sqrt{2}} 를 간단히 하면?

4지수법칙

지수를 실수까지 넓혀도 밑이 양수이면 지수법칙은 그대로 성립해요.

공식a>0, b>0a>0,\ b>0 이고 x, yx,\ y 가 실수일 때
곱
axay=ax+y\displaystyle a^xa^y=a^{x+y}
밑이 같으면 지수끼리 더한다.
몫
ax÷ay=ax−y\displaystyle a^x\div a^y=a^{x-y}
거듭제곱
(ax)y=axy\displaystyle (a^x)^y=a^{xy}
지수끼리 곱한다.
곱의 거듭제곱
(ab)x=axbx\displaystyle (ab)^x=a^xb^x
(ab)x=axbx\left(\dfrac{a}{b}\right)^x=\dfrac{a^x}{b^x} 도 성립한다.

밑이 같은 수의 곱셈은 지수를 더한다.

같은 밑끼리만 지수를 더하거나 빼요. 밑이 다르면 먼저 같은 밑으로 바꿔요.
예: 4x=(22)x=22x4^x=(2^2)^x=2^{2x}

학생
지수끼리 더할 때와 곱할 때가 헷갈려요.
쌤
밑이 같은 수끼리 곱하면 지수끼리 더하고, 거듭제곱을 다시 거듭제곱하면 지수끼리 곱해요. a2×a3=a5a^2\times a^3=a^5 이고 (a2)3=a6(a^2)^3=a^6 이에요.
성질밑이 양수라는 조건
유리수·실수 지수의 지수법칙은 밑이 양수일 때 성립한다.
정수 지수일 때는 밑이 00 이 아니기만 하면 된다.
문제에서 「a>0a>0」을 주는 까닭이 이것이다.
응용하기
(a12b−13)6=a12×6b−13×6=a3b−2\left(a^{\frac{1}{2}}b^{-\frac{1}{3}}\right)^6=a^{\frac{1}{2}\times6}b^{-\frac{1}{3}\times6}=a^3b^{-2}
↳□=12\square=\frac{1}{2}, △=6\triangle=6
a×a23÷a6=a12+23−16=a\sqrt{a}\times\sqrt[3]{a^2}\div\sqrt[6]{a}=a^{\frac{1}{2}+\frac{2}{3}-\frac{1}{6}}=a
↳근호를 지수로 바꿔요
2x+1=2x×2=2⋅2x2^{x+1}=2^x\times2=2\cdot2^x
↳지수가 문자인 꼴
32x=(32)x=9x3^{2x}=(3^2)^x=9^x
↳지수가 문자인 꼴
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
a>0a>0 일 때 a12×a13a^{\frac{1}{2}}\times a^{\frac{1}{3}} 을 간단히 하면?
지수끼리 곱하지 않는다
✗ 틀린 풀이
a2×a3=a6a^2\times a^3=a^6
왜 틀렸나 밑이 같은 거듭제곱의 곱은 지수를 더하므로 am×an=am+na^m\times a^n=a^{m+n} 이다.
✓ 바른 풀이
a2×a3=a2+3=a5a^2\times a^3=a^{2+3}=a^5
지수를 곱하는 것은 (a2)3=a6(a^2)^3=a^6 처럼 거듭제곱을 다시 거듭제곱할 때이다.
검산: a=2a=2 를 넣으면 22×23=4×8=32=252^2\times2^3=4\times8=32=2^5 이다.
밑이 다르면 지수를 더할 수 없다
✗ 틀린 풀이
23×32=652^3\times3^2=6^5
왜 틀렸나 am×an=am+na^m\times a^n=a^{m+n} 은 밑이 같을 때만 쓰므로 밑이 다르면 각각 계산해야 한다.
✓ 바른 풀이
23×32=8×9=722^3\times3^2=8\times9=72
곱의 거듭제곱 anbn=(ab)na^nb^n=(ab)^n 은 지수가 같을 때만 쓴다.
바른 계산은 각각의 값을 구해 8×9=728\times9=72 로 곱하는 것이다.
⚠ 주의합의 거듭제곱
다음과 같이 합의 거듭제곱은 나누어 계산할 수 없어요.
(a+b)−1≠a−1+b−1(a+b)^{-1}\ne a^{-1}+b^{-1}
(a+b)12≠a12+b12(a+b)^{\frac{1}{2}}\ne a^{\frac{1}{2}}+b^{\frac{1}{2}}
지수법칙 (ab)x=axbx(ab)^x=a^xb^x 는 곱에 대한 거예요.
예: a=b=1a=b=1 이면
(1+1)−1=12(1+1)^{-1}=\dfrac{1}{2}
1−1+1−1=21^{-1}+1^{-1}=2
자세히 보기펼치기왜 그런지

틀로 쓰면
a□a△=a□+△a^{\square}a^{\triangle}=a^{\square+\triangle}
(a□)△=a□×△(a^{\square})^{\triangle}=a^{\square\times\triangle}
□\square, △\triangle 자리에는 음수, 분수, 무리수, 문자식이 모두 들어갈 수 있어요.

지수 계산 순서
  1. 1
    근호는 모두 유리수 지수로 바꿔요.
    amn=amn\sqrt[n]{a^m}=a^{\frac{m}{n}}
  2. 2
    밑을 소수(또는 같은 문자)의 거듭제곱으로 나타내요.
    예: 8=238=2^3, 19=3−2\dfrac{1}{9}=3^{-2}
  3. 3
    밑이 같은 것끼리 모아 지수를 더하고 빼요.
    괄호의 거듭제곱은 지수끼리 곱해요.
  4. 4
    지수를 계산하여 정리하고, 필요하면 근호로 되돌려요.
  5. 5
    a=2a=2 처럼 간단한 값을 넣어 처음 식과 같은지 확인해요.
    검산

5ax+a−xa^x+a^{-x} 꼴의 식

axa^x 와 a−xa^{-x} 는 서로 역수이므로 ax×a−x=a0=1a^x\times a^{-x}=a^0=1그래서 ax=Xa^x=X 로 놓으면 a−x=1Xa^{-x}=\dfrac{1}{X} 이고, X+1XX+\dfrac{1}{X} 에 대한 곱셈 공식 변형을 그대로 쓸 수 있어요.

공식a>0a>0 일 때 (곱셈 공식의 변형)
제곱
(ax+a−x)2=a2x+a−2x+2\displaystyle (a^x+a^{-x})^2=a^{2x}+a^{-2x}+2
가운데 항이 2×ax×a−x=22\times a^x\times a^{-x}=2 이다.
차의 제곱
(ax−a−x)2=a2x+a−2x−2\displaystyle (a^x-a^{-x})^2=a^{2x}+a^{-2x}-2
세제곱
(ax+a−x)3=a3x+a−3x+3(ax+a−x)\displaystyle (a^x+a^{-x})^3=a^{3x}+a^{-3x}+3(a^x+a^{-x})
3a2xa−x=3ax3a^{2x}a^{-x}=3a^x, 3axa−2x=3a−x3a^xa^{-2x}=3a^{-x}
합과 차의 곱
(a12+b12)(a12−b12)=a−b\displaystyle (a^{\frac{1}{2}}+b^{\frac{1}{2}})(a^{\frac{1}{2}}-b^{\frac{1}{2}})=a-b

곱의 가운데 항 2axa−x2a^xa^{-x} 가 상수 2가 되는 것이 핵심이에요.
그래서 ax+a−xa^x+a^{-x} 의 값만 알면 a2x+a−2xa^{2x}+a^{-2x}, a3x+a−3xa^{3x}+a^{-3x} 의 값을 차례로 구할 수 있어요.
a2x+a−2x=(ax+a−x)2−2a^{2x}+a^{-2x}=(a^x+a^{-x})^2-2
a3x+a−3x=(ax+a−x)3−3(ax+a−x)a^{3x}+a^{-3x}=(a^x+a^{-x})^3-3(a^x+a^{-x})

학생
ax−a−xa^x-a^{-x} 가 나와도 같은 방법을 써요?
쌤
네. (ax−a−x)2=a2x−2+a−2x(a^x-a^{-x})^2=a^{2x}-2+a^{-2x} 이니까 가운데 항이 −2-2 가 될 뿐이에요. 부호만 조심하면 돼요.
x12+x−12=3x^{\frac{1}{2}}+x^{-\frac{1}{2}}=3 일 때
x+x−1=(x12+x−12)2−2=9−2=7x+x^{-1}=\left(x^{\frac{1}{2}}+x^{-\frac{1}{2}}\right)^2-2=9-2=7
↳□=x12\square=x^{\frac{1}{2}} 로 보기
x2+x−2=(x+x−1)2−2=49−2=47x^2+x^{-2}=(x+x^{-1})^2-2=49-2=47
↳다시 □=x\square=x 로 보기
x32+x−32=33−3×3=18x^{\frac{3}{2}}+x^{-\frac{3}{2}}=3^3-3\times3=18
↳세제곱 공식
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
2x+2−x=32^x+2^{-x}=3 일 때 4x+4−x4^x+4^{-x} 의 값은?
가운데 항을 빠뜨리지 않는다
✗ 틀린 풀이
(x12+x−12)2=x+x−1(x^{\frac{1}{2}}+x^{-\frac{1}{2}})^2=x+x^{-1}
왜 틀렸나 (A+B)2=A2+2AB+B2(A+B)^2=A^2+2AB+B^2 이므로 가운데 항 2AB2AB 를 반드시 함께 써야 한다.
✓ 바른 풀이
(x12+x−12)2=x+2+x−1(x^{\frac{1}{2}}+x^{-\frac{1}{2}})^2=x+2+x^{-1}
(A+B)2=A2+2AB+B2(A+B)^2=A^2+2AB+B^2 에서 AB=x12x−12=1AB=x^{\frac{1}{2}}x^{-\frac{1}{2}}=1 이에요.
검산: x=4x=4 를 넣으면
(2+12)2=254(2+\frac{1}{2})^2=\frac{25}{4}
4+2+14=2544+2+\frac{1}{4}=\frac{25}{4}
한눈에 정리
이것만은 꼭 기억하세요. 읽은 내용을 떠올리며 하나씩 확인해 보세요.
  1. 1a≠0a\ne0 일 때 a0=1a^0=1, a−n=1ana^{-n}=\dfrac{1}{a^n}
  2. 2a>0a>0 일 때 amn=amna^{\frac{m}{n}}=\sqrt[n]{a^m}, a1n=ana^{\frac{1}{n}}=\sqrt[n]{a} (밑은 양수)
  3. 3a>0, b>0a>0,\ b>0, x, yx,\ y 가 실수일 때
    axay=ax+ya^xa^y=a^{x+y}
    ax÷ay=ax−ya^x\div a^y=a^{x-y}
    (ax)y=axy(a^x)^y=a^{xy}
    (ab)x=axbx(ab)^x=a^xb^x
  4. 4ax+a−xa^x+a^{-x} 꼴은 ax×a−x=1a^x\times a^{-x}=1 을 써서 곱셈 공식으로 변형한다.
    (ax+a−x)2=a2x+a−2x+2(a^x+a^{-x})^2=a^{2x}+a^{-2x}+2
✗ 자주 하는 실수
  • 2−3=−82^{-3}=-8, 30=03^0=0 처럼 음의 지수를 음수로, 00 제곱을 00 으로 계산해요.
  • a2×a3=a6a^2\times a^3=a^6, 23×32=652^3\times3^2=6^5 처럼 지수를 곱하거나 밑이 다른데 지수를 더해요.
  • (ax+a−x)2=a2x+a−2x(a^x+a^{-x})^2=a^{2x}+a^{-2x} 로 가운데 항 22 를 빠뜨려요.
STEP 2

예제로 익히기

풀이를 보기 전에 먼저 직접 풀어 보고, 한 단계씩 펼쳐 확인하세요.

  1. 예제 1
    2723×9−12+(14)−3227^{\frac{2}{3}}\times9^{-\frac{1}{2}}+\left(\dfrac{1}{4}\right)^{-\frac{3}{2}} 의 값을 구하시오.
  2. 예제 2
    a>0, b>0a>0,\ b>0 일 때, a2b3×ab3÷a7b56\sqrt[3]{a^2b}\times\sqrt{ab^3}\div\sqrt[6]{a^7b^5} 을 간단히 하시오.
  3. 예제 3
    x>0x>0 이고 x12+x−12=3x^{\frac{1}{2}}+x^{-\frac{1}{2}}=3 일 때, x+x−1x+x^{-1} 과 x32+x−32x^{\frac{3}{2}}+x^{-\frac{3}{2}} 의 값을 구하시오.

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