무한소수

 


1. 개요
2. 순환소수
2.1. 순환소수의 유리화
3. 비순환소수
4. 기타


1. 개요



'''무한소수'''는 소수점 밑으로 무한히 이어지는 소수를 의미하며, 크게 순환소수와 비순환소수로 나뉜다. 유한소수와 달리 소수점 아래의 자리가 끝없이 이어지는 소수를 말한다. 유명한 예로는 원주율(=3.141592...)이 있다. 일정한 지점 이후에서 숫자가 반복되느냐에 따라 순환소수(유리수)와 비순환소수(무리수)로 나뉘며, 비순환소수는 다시 대수적 무리수와 초월수로 나뉜다. 무한소수 중에서도 순환하는 무한소수다. 즉, 0.'''3'''33333...[1] 이나 0.47'''834'''834834...[2] 처럼 순환마디가 계속해서 반복되는 소수다. 순환소수를 분수로 바꾼 뒤 기약분수로 나타내면 분모의 소인수는 2, 5 이외의 것이 있다.

2. 순환소수


일정한 숫자 배열이 계속해서 반복하는 소수다. 나타낼 때는 다음과 같이 순환마디의 맨 처음 부분과 맨 마지막 부분 위에 점을 붙여 표시한다.[3]
  • $$0.333333 \cdots = 0. \dot 3$$
  • $$0.1624624624 \cdots = 0.1 \dot 62 \dot 4$$
  • $$0.34343434 \cdots = 0. \dot 3 \dot 4$$
우리나라에서는 이 방법을 사용하고 있지만, 표현법에는 여러 가지가 있고, 순환마디 처음부터 끝까지 줄을 친다거나($$0.1 \overline{624}$$) 괄호를 치는 등의 여러 가지 방법이 있다. 우리나라는 점을 찍는 걸 사용하므로, 시험을 볼 땐 점을 찍어야 한다.
첫째 자리부터 시작되면 '''순순환소수'''라고 하고, 둘째 자리 혹은 그 이후부터 시작되면 '''혼순환소수'''라고 한다.

2.1. 순환소수의 유리화


순환소수의 유리화(분수로 고치기)는 다음과 같은 방법으로 가능하다.
  • 대수적 방법
두 가지 예를 들어서 과정을 설명한다. $$0. \dot 3$$의 경우
  1. $$a=0.333333 \cdots$$로 놓으면
  2. $$10a=3.333333 \cdots$$ (ㄱ)
  3. $$a=0.333333 \cdots$$ (ㄴ)
  4. (ㄱ)-(ㄴ)을 하면 $$9a=3 \; \therefore a=\displaystyle \frac{1}{3}$$ (약분을 해야 한다) [4]
$$0. \dot 14285 \dot 7$$의 경우
  1. $$a=0.142857142857 \cdots$$로 놓으면
  2. $$1000000a=142857.142857 \cdots$$ (ㄱ)
  3. $$a=0.142857142857 \cdots$$ (ㄴ)
  4. (ㄱ)-(ㄴ)을 하면 $$999999a=142857 \; \therefore a=\displaystyle \frac{142857}{999999} = \displaystyle \frac{1}{7}$$
  • 등비급수를 이용한 방법
2015 개정 교육과정 기준 미적분에서 등장한다. 예를 들어 $$2.32 \dot 4$$는 다음과 같이 유리화한다.
  1. $$2.32 \dot 4$$는 $$2.32 + 0.00 \dot 4$$로 쓸 수 있다.
  2. $$0.00 \dot 4 = \displaystyle \frac{1}{100} \left( \frac{4}{10} + \frac{4}{100} + \frac{4}{1000} + \cdots \right) = \displaystyle \frac{4}{100} \left( \frac{1}{10} + \frac{1}{100} + \frac{1}{1000} + \cdots \right) = \displaystyle \frac{4}{100} \sum^{\infty}_{n=1} \left( \frac{1}{10} \right)^n$$
여기서 $$\Sigma$$ 이후의 부분이 바로 첫째항과 공비가 동시에 $$\displaystyle \frac{1}{10}$$인 등비급수다.
  1. 첫째항이 $$a$$, 공비가 $$r$$인 등비급수의 합이 수렴할 때 그 값은 $$\displaystyle \frac{a}{1 - r}$$이므로,
$$\displaystyle \sum^{\infty}_{n=1} \left( \frac{1}{10} \right)^n = \displaystyle \frac{\frac{1}{10}}{1 - \frac{1}{10}} = \frac{1}{9}$$
  1. 그러므로 $$2.32 \dot 4 = 2.32 + 0.00 \dot 4 = \displaystyle \frac{232}{100} + \left( \frac{4}{100} \times \frac{1}{9} \right) = \displaystyle \frac{232}{100} + \frac{4}{900} = \displaystyle \frac{2092}{900} = \frac{523}{225}$$
  • 쉬운 방법
위와 같이 $$2.32 \dot 4$$를 예로 들면
  • 분모에는 (ㄱ) 순환마디의 글자 수만큼 9를 쓰고(예시로 든 수의 경우 1개), (ㄴ) 순환마디가 아닌 소수점 아래의 글자 수만큼 0을 쓴다(2개).
  • 분자에는 (ㄱ) 유리화하려는 순환소수를 소수점과 윗점을 제외하고 쓴 수(2324)에서 (ㄴ) 순환소수를 소수점과 순환마디를 제외하고 쓴 수(232)를 뺀 수를 적는다.
위와 같은 과정을 따르면 $$\displaystyle \frac{2324-232}{900} = \frac{2092}{900}$$이 나오게 된다. 약분까지 하면 $$\displaystyle \frac{523}{225}$$.
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위의 등비급수를 이용한 풀이 과정을 다음과 같이 변형해서 쓸 수 있다.
$$\begin{aligned} 2.32 + 0.00 \dot 4 &= \displaystyle \frac{232}{100} + \left( \frac{4}{100} \times \frac{\frac{1}{10}}{1 - \frac{1}{10}} \right) \\ &= \displaystyle \frac{232}{100} + \frac{4}{100 \times \left( 1 - \frac{1}{10} \right) \times 10} \\ &= \displaystyle \frac{232}{100} + \frac{4}{100 \times (10 - 1)} \\ &= \displaystyle \frac{232 \times (10 - 1) + 4}{100 \times (10 - 1)} \\ &= \displaystyle \frac{(2320 + 4) - 232}{100 \times 9} \\ &= \displaystyle \frac{2324 - 232}{900} \left( = \displaystyle \frac{2092}{900} = \frac{523}{225} \right) \end{aligned}$$
여기서 마지막 줄 부분을 위와 같이 알고리즘화한 것이다.

여기서 마지막 줄 부분을 위와 같이 알고리즘화한 것이다.}}}

3. 비순환소수


일정한 숫자 배열이 계속해서 반복하지 않는 소수다. 순환소수(유리수)와 달리 분모, 분자가 서로소로 이루어진 기약분수로 나타낼 수 없는 무리수며 당연히 유리수에 포함되지 않는다.
비순환소수로는 $$\sqrt{2}$$, $$\sqrt{3}$$등 대수적인 무리수와, [math(\pi)](파이, 원주율), 자연로그의 밑 $$e$$, 오메가 상수, 겔폰트-슈나이더 상수초월수에 속하는 무리수가 있다.

4. 기타


십진법에서 유한소수로 표현되는 수라도 진법을 바꾸면 무한소수가 될 수 있다. 그 반대의 경우도 마찬가지. 예를 들어 0.2를 이진법으로 나타내면 $$0. \dot 001 \dot 1_{(2)}$$이 나온다. 일반적으로 기약분수를 $$k$$진법의 소수로 나타내었을 때 유한소수이기 위해서는 분모의 모든 소인수가 $$k$$의 소인수여야 한다. 이는 십진법에서 유한소수가 될 때 분수의 분모의 소인수가 2 또는 5만 있어야 한다는 점을 생각하면 이해하기 쉽다.

[1] 순환마디는 3이다.[2] 순환마디는 834이다.[3] 숫자가 아니라 문자에 점이 찍히면 시간에 대해서 미분한다는 의미가 될 수 있지만 이런 표기법은 동역학 외의 영역에서는 별로 사용되지 않으므로 그닥 신경쓰지는 않아도 된다.[4] 같은 방식으로 $$0. \dot 9$$를 유리화 하면 $$9a=9 \; \therefore a=1$$ 이므로 $$0. \dot 9=1$$이라는 드립도 있다.