対数を使って指数部分を抽出しまくるのさ
英語版『Wikipedia』に載っていた方法を基に説明します。
理解するためには、高校数学 II の指数関数・対数関数の知識が必要です。
まず、実数 \(a \; (a > 0)\) に対して次の2つが成り立つことを思い出しましょう。
- \( \sqrt{a} = a^{1/2} \)
- \( (a^x)^y = a^{xy} \quad (x, y \text{ は有理数}) \)
平方根は \(\dfrac{1}{2}\) 乗と同じ。
累乗の累乗は指数を掛け算すれば良い。
こういう軽い解釈でOKです。
これらを使って、\(4\) にルートを2個かぶせた式を累乗で表してみます。
\[ \sqrt{\sqrt{4}} = \sqrt{4^{1/2}} = \left( 4^{1/2} \right) ^{1/2} = 4^{(1/2)^2} \]3個かぶせるとこうなります。
\[ \sqrt{\sqrt{\sqrt{4}}} = \sqrt{4^{(1/2)^2}} = \left( 4^{(1/2)^2} \right) ^{1/2} = 4^{(1/2)^3} \]同様にして、\(n\) 個だとこうなる。
\[ \underbrace{ \sqrt{\sqrt{\cdots\sqrt{4}}} }_{n\ \text{個}} = 4^{(1/2)^n} \tag{1} \]
あとは、この \(4^{(1/2)^n}\) から \(n\) をどうにか抽出しよう! ……という魂胆です。
それには次の公式が重宝します(証明は略)。
- \( \log \,_a \ a^x = x \quad (a > 0 \; \text{かつ} \; a \neq 1,\ x\ \text{は有理数}) \)
簡単に言うと、\(a^x\) の左側に「\(\log \, _a\)」を施せば \(a\) が外れて、右肩の \(x\) だけが残る。
この性質を利用すると、うまくいくんです。
まずは \(4^{(1/2)^n}\) に \(\log\,_4\) を施して \(4\) を外す。
\[ \log \, _4 \ 4^{(1/2)^n} = \left(\dfrac{1}{2}\right)^n \tag{2} \]そして、\(\left(\cfrac{1}{2}\right)^n\) に \(\log_\tfrac{1}{2}\) を施して \(\dfrac{1}{2}\) を外す。
\[ \log \, _\tfrac{1}{2} \, \left(\dfrac{1}{2}\right)^n = n \tag{3} \]\((2)\) を使って \((3)\) を書き換えると
\[ \log \, _\tfrac{1}{2} \, \left(\log \, _4 \ 4^{(1/2)^n}\right) = n \]ここで、\((1)\) を使って \(4^{(1/2)^n}\) を根号に戻し、わざと \(\dfrac{1}{2} = \dfrac{\sqrt{4}}{4}\) と置き換えてしまえば
\[ \log \, _\tfrac{\sqrt{4}}{4} \left( \log \, _4 \ \underbrace{ \sqrt{\sqrt{\cdots\sqrt{4}}} }_{n\ \text{個}} \right) = n \]となるわけですね。
よく見たら、この式、ちゃんと4個の4だけを使っている!
驚きですね!
ここからは余談。
自然対数だとどう表せるか、という話です。
自然対数は数学 III の領域ですが、数学 II の知識だけでも理解は可能です。
こんな感じに表せました。
自然対数バージョン。
根号は \( n \) 重です。
これは、底の変換公式 \(\log \, _x \ y = \dfrac{\log\ y}{\log\ x}\) のおかげで成り立ちます。
また、\(\log \, \dfrac{\sqrt{4}}{4} = \log \, \dfrac{1}{2} = \log \, 4^{-\tfrac{1}{2}} = -\dfrac{\log 4}{2}\) も使えばOK!
よく見ると、この式も4個の4だけを使ってる!
すげぇな。
参考・参照
- Wikipedia(英語版),『Four fours』,
https://en.wikipedia.org/wiki/Four_fours#Rules,(2023. 8. 3. 参照)
更新履歴
- 2023. 8. 8.
- 新規公開。