2019/11/13(水)指数の拡張

指数の拡張について

指数

指数とは n^m と書かれるときの m のことを指す。この時の n の事を底という。

n^m\overbrace{n \times n \times \cdots \times n}^{m個} を意味している。
つまり n^m = \overbrace{n \times n \times \cdots \times n}^{m個} である。

写像で書くと次のようになる。
\begin{eqnarray*} f : & \mathbb{N}\times\mathbb{N} & \to & \mathbb{N} \\ & (n,m) & \to & \overbrace{n \times n \times \cdots \times n}^{m個} \end{eqnarray*}

この時の \mathbb{N}\times\mathbb{N}\mathbb{C}\times\mathbb{N} に拡張すると次のようになる。
\begin{eqnarray*} \mathbb{C}\times\mathbb{N} & \to & \mathbb{C} \\ (z,m) & \to & \overbrace{z \times z \times \cdots \times z}^{m個} \end{eqnarray*}
z \times z \times \cdots \times z\mathbb{C} 内の演算で定義できる。

指数を自然数から整数に

\begin{eqnarray*} f(n,m) = & n \times n \times \cdots \times n \\ = & n \times \overbrace{n \times \cdots \times n}^{m-1個} \\ = & n \times f(n,m-1) \end{eqnarray*}
これを繰り返し用いると \displaystyle f(n,m) = \overbrace{n \times \cdots \times n}^{m-1個} \times f(n,1) と変形できる。

この変形を更に行い、写像 f の定義域を拡張していくと次のような変形が出来る。
\begin{eqnarray*} f(n,m) = & n \times f(n,m-1) \\ = & n \times n \times f(n,m-2) \\ & \cdots \\ = & \overbrace{n \times \cdots \times n}^{m-1個} \times f(n,1) \\ = & \overbrace{n \times \cdots \times n}^{m個} \times f(n,0) \end{eqnarray*}

写像 f の定義から f(n,m)=\overbrace{n \times n \times \cdots \times n}^{m個} である為、上の式から次の式が出来る。
\overbrace{n \times n \times \cdots \times n}^{m個} = \overbrace{n \times \cdots \times n}^{m個} \times f(n,0)
この式の両辺に \overbrace{n \times n \times \cdots \times n}^{m個} がある為、これが 0 で無いなら割って 1=f(n,0) が得られる。
\overbrace{n \times n \times \cdots \times n}^{m個} \ne 0 \quad \Leftrightarrow \quad n \ne 0
である為、n \ne 0 の時 f(n,0)=1 である。


この理屈を指数がマイナスの時まで繰り返し行う。
\begin{eqnarray*} f(n,m) = & \overbrace{n \times \cdots \times n}^{m個} \times f(n,0) \\ = & \overbrace{n \times \cdots \times n}^{m+1個} \times f(n,-1) \\ = & \overbrace{n \times \cdots \times n}^{m+2個} \times f(n,-2) \\ & \cdots \\ = & \overbrace{n \times \cdots \times n}^{m+l個} \times f(n,-l) \end{eqnarray*}

写像の定義から f(n,m)=\overbrace{n \times n \times \cdots \times n}^{m個} なので次の式が出来る。
\overbrace{n \times n \times \cdots \times n}^{m個} = \overbrace{n \times \cdots \times n}^{m+l個} \times f(n,-l)
さっきと同じ様に割り算を行うと n \ne 0 の時 \displaystyle f(n,-l)=\frac{1}{n^l}になる。

まとめると次のようになる。
n \ne 0 の時 n^0=1\displaystyle n^{-m}=\frac{1}{n^m}




OK キャンセル 確認 その他