허수

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수학의 수 체계
기초
$\mathbb{N}\sub\mathbb{Z}\sub\mathbb{Q}\sub\mathbb{R}\sub\mathbb{C}$ $\mathbb{C}$ 복소수 {$\mathbb{R}(\mathrm{i})$} 허수 순허수 $\mathbb{R}$ 실수 {$\mathbb{Z} , \mathbb{Q} , \sqrt2, \pi$} $\mathbb{I}$ 무리수 {$\sqrt3, \sqrt 5, \pi,...$} $\mathbb{Q}$ 유리수 {2/3, -4/7,...} $\mathbb{Z}$ 정수 {...,-1,0,1,...} $\mathbb{N}$ 자연수 {1,2,3...} 1 $\mathbb{P}$ 소수 {2,3,5,7,...} 합성수 작도 가능한 수 대수적 수 초월수 초한수 계산 가능한 수
복소수의 확장
이원수 다원수 사원수 팔원수 십육원수 상초실수 초실수 초현실수
기타
명목수 서수 size, position {n} 기수 $\{ \aleph_0, \aleph_1, \aleph_2, \cdots \}$ p진수 정수열 반정수 {...,-1.5,-0.5,0.5,1.5,...} 수학 상수 $i$ 허수 단위 $= \sqrt{-1}$ $\pi$ 원주율 ≈ 3.14159 26535 ... $e$ 자연로그의 밑 ≈ 2.71828 ( $\notin \mathbb{Q}$) $\infty$ 무한대
주요 상수
π - e - √2 - √3 - γ - φ - β* - δ - α - C2 - M1 - B2 - B4 - Λ - K - K - K - B´L - μ - EB - Ω - β - λ - D(1) - λμ - Cah. - Lap. - A-G - Λ - K-L - Apr. - θ - Bac. - Prt. - Lb. - Niv. - Sie. - Kin. - F - L

허수(虛數, imaginary number)는 실수가 아닌 복소수를 뜻한다. 즉 모든 허수는 다음과 같이 나타내어질 수 있다.

$a+bi$ (단, a, b는 실수이며 $b \ne 0$)

여기서 i는 허수 단위이며, 이때 a를 실수부, b를 허수부라 한다. b가 0일 경우 위의 수는 실수가 되며, 실수와 허수를 모두 포함하는 수 체계가 복소수이다.

역사

고대 그리스의 수학자 헤론은 거듭제곱하여 음수가 되는 수에 대한 개념을 기록한 바 있다. 1572년 이탈리아의 수학자 라파엘 봄벨리가 허수 단위를 정의하였다. 이후 르네 데카르트가 《방법서설》의 부록 〈기하〉(프랑스어: La Géométrie)에서 상상의 수(imaginary numbers)라고 부른 데에서 허수라는 이름이 정착되었다. 허수라는 이름은 오일러와 가우스에 의해 널리 알려졌으며, 오일러는 허수 단위 기호로 $i$ 를 도입하였다. 1799년 카스파르 베셀이 복소수의 기하학적 표현을 완성하였다.

1843년 윌리엄 해밀턴은 복소수를 확장하여 사원수 체계를 만들었다.

미국 수학에서 허수란 $i\mathbb{R}$ 형태, 즉 순허수이다. 즉 실수에 허수단위 $i=\sqrt{-1}$가 곱해진 형식을 가지고 있고, 따라서 제곱하면 음수가 된다.

기하학적 해석

복소평면에서 복소수의 위치

한 평면상에 직교 좌표계를 정하고 이에 대한 한 점 Z 의 위치 (x, y)를 $x + y i$로 정하여 복소수를 평면상의 점으로 표시할 수 있다. 이 때, 좌표와 복소수는 일대일대응을 이룬다. 또한, 이렇게 나타낸 점 Z(x,y)는 극좌표를 사용하여 원점에서 부터 점 Z 사이의 반지름과 각도로서도 나타낼 수 있다. 즉,

$Z(x,y) = x + yi = r \theta$

가 된다.

한편, 왼쪽의 그림과 같이 실수부는 같고 허수부의 부호만 반대인 $Z = x +yi$ 와 $\overline{Z} = x - yi$ 를 생각할 수 있다. 이를 켤레복소수라고 한다. 켤레 복소수는 극좌표에서 반지름이 같고 x축에 대해 대칭인 점이 된다.

복소평면에서 허수의 위치를 극좌표를 사용하여 나타낼 수 있으므로, 임의의 단위 원을 그려 복소수와 삼각함수의 관계를 생각할 수 있다. 1714년 영국의 수학자 로저 코츠는 자연로그가 다음과 같은 삼각함수의 관계식으로 표현될 수 있다는 것을 발견하였다.

$\ln(\cos x + i\sin x)=ix \$

1740년 레온하르트 오일러는 이 식을 지수함수로 변형하여 다음과 같이 나타내었다.

$e^{ix} \,=\, \cos x + i\sin x$

이를 오일러의 공식이라 한다.

수 체계

수 체계에서 허수는 복소수와 함께 다루어지는 것이 보통이다. 이를 복소수체라고 하며 $\mathbf{C}$ 로 나타낸다.

함께 보기

• 데카르트
• 허수 단위
• 복소수