지수함수와 삼각함수가 하나다
수학이야기 2012. 10. 18. 10:10고등학교 교육과정에서 사라진 극형식에 대한 글을 쓰며 내친김에 오일러 공식도 다루고자 한다. 자연로그의 밑으로 쓰는 상수 e를 흔히 오일러의 수로 부른다. 오일러 상수가 들어간 오일러 공식은 많은 이가 아름다운 수식으로 손꼽는다. 수학, 공학, 물리학에서 널리 쓰이는 아주 중요한 공식이다. 먼저 공식을 구경하자.
eiϕ=cosϕ+isinϕ
아름다움이 느껴지는가? 머리만 아픈가? 당장 지수에 웬 복소수라는 생각을 할 것이다. 그렇다 머리가 좀 아프긴 하다. 지수를 복소수까지 넓히고 있다. 진짜 아름다움은 아무나 쉽게 느낄 수 없다. 대학에서 미적분을 조금만 더 깊이 공부하면 테일러 급수로 간단하게 증명할 수 있다.
여기선 고등학생을 위해 대충 보여주려고 한다. 먼저 삼각함수의 덧셈정리와 복소수의 극형식을 써서 복소수 곱셈을 손쉽게 하는 공식을 끌어내자.
두 복소수 z1,z2를 극형식으로 바꾸고 곱셈을 한다.
z1=a1+b1i=r1(cosϕ1+isinϕ1),z2=a2+b2i=r2(cosϕ2+isinϕ2)
z1z2=r1r2(cosϕ2+isinϕ2)(cosϕ1+isinϕ1)=r1r2{cosϕ1cosϕ2−sinϕ1sinϕ2+i(sinϕ1cosϕ2+cosϕ1sinϕ2)}=r1r2{cos(ϕ1+ϕ2)+isin(ϕ1+ϕ2)}
이를 써서
zn={r(cosϕ+isinϕ)}n=rn(cosnϕ+isinnϕ)
처럼 멋지게 셈할 수 있다. 이를 드 므아브르의 정리로 부른다.
오일러 수 e는 수열 {(1+1n)n}의 극한이다.
limn→∞(1+1n)n=e
limn→∞(1+tn)n=limn→∞(1+tn)nt⋅t=et
t=iϕ 일 때를 생각하자.
먼저 복소수 1+iϕn의 크기와 편각을 rn, θn로 놓고 극형식으로 고쳐 셈한다.
(1+iϕn)n=rnn(cosnθn+isinnθn)이다.
이제 n→∞일 때, 극한값을 살펴보자.
rn=√1+(ϕn)2의 극한값은 1이다.
θn은 아주 작아진다.
limθ→0sinθθ=1
이므로
θn=sinθn=ϕnrn=ϕn
이다.
∴
e^{i\phi}=\cos \phi +i\sin \phi
증명끝.
e^{-i\phi}=\cos \phi -i\sin \phi
이므로
두 식을 더해 \cos\phi =\frac{1}{2}( e^{i\phi}+e^{-i\phi})와 같이 지수함수와 삼각함수가 다르지 않은 하나임을 알 수 있다.
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