2018년 12월 31일 월요일

약수와 배수(4) 유클리드 호제법



  
유클리드 호제법
Euclidean algorithm


"나머지가 0 이 될 때, 최대공약수가 보여요"
" GCD will be found when the remainder becomes 0 "







유클리드의 호제법은 일반적으로 두 자연수 사이의 최대공약수를 찾아내는 알고리즘 기법입니다.

표준교과의 범위를 벗어 나는 내용입니다만소인수로 분해하는 방법보다 빠르고 편리하기 때문에 중, 상위 수준의 학생들이라면 알아 두면 아주 편리하고 빠르게 계산해 낼 수 있습니다.


두 자연수의 나눗셈을 하고 남은 나머지에는그 두 수의 최대공약수가 인수로 들어 있다는 원리를 활용하는 개념으로, 심화 수준의 문제 유형에서 그 원리나 응용 개념들이 종종 출제되므로보충 설명의 성격으로 게재합니다.

이 유클리드의 기법은 두 정수나 두 다항식의 경우에도 그대로 적용되니상위권 학생들은 개념과 원리를 정확히 이해하고응용력도 키워두면 좋습니다.






               






이번에는두 자연수를 소인수로 분해하지 않고도최대공약수를 쉽게 구해 낼 수 있는 '유클리드 호제법을 알아 보도록 할까요?



우선, 198 과 120 의 최대공약수를 유클리드 호제법으로 구하는 요령을 단계별로 설명한 다음에 그 원리를 알아 보도록 하지요.


(1) 큰 수를 작은 수로 나누어 몫과 나머지를 구한 후에아래와 같이 식으로 적어 놓습니다.

198 = 120 x 1 + 78


(2) 이번에는나누었던 수 120 을 나머지인 78 로 나누고 나서같은 방법으로 식을 적어 넣습니다.

120 = 78 x 1 + 42


(3) 같은 계산과정을 반복해서최종 나머지가 이 될 때까지 계속합니다.

78 = 42 x 1 + 36

42 = 36 x 1 + 6

36 = 6 x 6 + 0


(4) 나머지가 이 되었을 때의 나누는 수 (또는 그 직전 계산식의 나머지인 
     두 수의 최대공약수입니다.






그러면, 도대체 어떤 원리로 최대공약수라고 할 수 있는 것인지, 유클리드 호제법의 원리를 알아 보도록 할까요?



(1) 앞에서를 로 나누면식으로는 아래와 같이 표현한다고 배웠지요?

A = B Q + R



(2) 여기서A 와 의 최대공약수를 라고 하면A = G 그리고 B = b x G 라 놓을 수 있으니까위의 식에다 이를 대입을 하고 나서나머지 에 관해서 정리하면,

G = b Q + R

R = a – Q

= G x (– Q)


∴   R = x k



(3) 나머지 도 최대공약수 의 배수가 된다는 뜻이 됩니다.





2400 년 전에 유클리드가 발견한 이 의미를 식으로 정리해 볼까요?



 A = B Q + R 이라  A 최대공약수는나누는   나머지 
 최대공약수와 같다.

(AB) = (BR) 







위에서 풀어 보았던 똑같은 문제를 도형의 문제로 바꾸어서 살펴보도록 할까요?



 198 x 120  직사각형의 바닥을정사각형의 타일로 채우려고 한다최소의 타일을
 사용하려면정사각형 한변의 길이를 얼마로 해야 하는가?






(1) 유클리드 호제법을 정사각형들로 이루어진 도형으로 나타내면 아래의 그림과 같습니다.



(2) 위 그림에서 가장 큰 직사각형이 가로가 198, 세로가 120 인 바닥의 크기를 나타냅니다.
     따라서첫 번째의 빨간색 정사각형 한 변의 길이는 120 입니다.


(3) 이번에는 가로의 남는 변을 남은 길이인 78 의 파란색 정사각형으로 채워 나가고,
     다음은 남는 세로 길이인 42 의 초록색 정사가형으로 채우고 ...


(4) 이 과정을 계속해 나가면, 위의 그림에서와 같이 마지막으로 주황색의 가장 작은
     개의 정사각형으로 채워지게 됩니다이 때의 마지막 정사각형 한 변의 길이인
     이 최대공약수입니다.





마지막으로연습문제를 하나 풀어 보도록 할까요?


두 자연수 16082 와 4902 의 최대공약수를 구하여라.





두 수가 짝수라는 것 외에는쉽게 소인수를 찾아 분해해 내기가 어렵지요

이 때에는 [유클리드 호제법을 사용하면 쉽습니다.




(1) 큰 수 16082 를 4902 로 나눈다.

16082 = 4902 x 3 + 1376



(2) 유클리드 호제법의 원리에 따라(16082, 4902) = (4902, 1376) = ... 
     성립한다고 했으니까다시 4902 를 1376으로 나눈다.

4902 = 1376 x 3 + 774



(4) 나누어 떨어질 때까지같은 방법으로 계속해서 계산해 나가면,


1376 = 774 x 1 + 602

774 = 602 x 1 + 172

602 = 172 x 3 + 86

172 = 86 x 2 + 0



(5) 유클리드 호제법의 원리에 따라서최대공약수는 86.


(16082, 4902)

(4902, 1376)


(172, 86)

= 86






이 방법은 다항식들의 최대공약수(식)를 구할 때에도 사용됩니다.

뒤의 [다항식의 약수와 배수] 단원에서 공부하도록 합니다.








2018년 11월 30일 금요일

연립일차부등식(5) 연립일차부등식의 활용




연립일차부등식의 활용
systems of linear inequalities word problem - catch up


"부등식을 세운 다음에는
그래프나 다이어그램으로 해결해 보세요"
" try to visualize your strategy after translating into inequalities "


  




기본적으로 부등식은 범위를 다루는 개념이므로, 수직선 (number line) 이나 그래프를 이용해서 문제의 내용과 의미를 파악하고 해결하는 훈련이 절대적으로 필요한 단원입니다.

다소 낯설고 어렵게 느껴지더라도, 최대한 그래프나 수직선 다이어그램을 활용한 설명을 추가하려고 하니, 반드시 기본개념과 응용력을 철저히 익혀 두어야 합니다.

부등식 해의 정확한 구간이라는 것이 다른 표현으로는 바로 최대값 최소값 문제이므로, 부등식의 영역과 함수 그래프의 개념으로 해결할 있어야, 상위권의 우수한 수학실력을 갖추게 된다는 점을 명심하기 바랍니다.






               






먼저, 정수해의 개수를 구하는 문제 유형을 보도록 할까요?




  아래의 연립 일차부등식의 해가 2 개의 정수만을 포함하도록 상수 a 값의 범위를
  구하여라.

            ↱   – 2x + 1 > – x – 3
               2x + a – 1 3x + 1




(1) 우선, 주어진 연립방정식을 간단하게 정리한 다음, 서로 다른 부등식을 구분할 있도록 각각 번호를 붙입니다.

x < 4       
x a – 2 




(2) 부등식 중에서, 미지수가 없는 x < 4 구간을 먼저 수직선 (number line) 나타냅니다. 아래 그림에서 파란색 구간으로 표시한 것과 같이, 등호가 없으니까 큼직하게 속이 비어 있는 하얀 동그라미로 표시한다고 했지요?




(3) 다음에, 미지수가 포함된 x a – 2 구간을, 문제의 조건에 맞게 2 개의 정수만 포함되도록, 높이를 다르게 해서 그려 넣습니다.

그림의 빨간색 구간은 등호가 있으니까, 속이 채워진 동그라미로 표시해야 하겠지요? 만일, 조금 어렵게 느껴진다면, (a – 2) = k 치환해도 좋습니다.



(4) 문제에서 정수의 개수가 개라고 했으니까, 그림에서 빨간 동그라미로 표시된 (a – 2) = k 좌우로 움직여 보면서, 자연수 2 3 보라색의 공통구간 내에 들어올 있도록 범위를 구해내면 됩니다.



(5) 만일 정확한 판단이 어렵게 느껴진다면, 빨간 동그라미로 표시된 (a – 2) = k 정답 구간으로 추정되는 자연수 1 또는 2 위에 아예 올려 놓고 고민 보면, 보다 쉽게 알아낼 있습니다.

1 < (a – 2) = k ≤ 2

∴  3 < a ≤ 4






이번에는 그래프를 이용하는, 조금 다른 유형의 따라잡기 문제를 풀어 보도록 할까요?






   30 전에 시속 50 km/h 오토바이를 타고 도망간 범인을, 경찰이 순찰차로
   그 뒤를 쫓기 시작하였다. 1 시간 내에 범인을 검거하려면, 최소한 얼마 이상의
   속력으로 달려야 하는가?




(1) 우선, 문제에서 묻고 있는 경찰차의 속력을 x km/h 라고 놓고, 시간 단위를 통일
     시켜야 합니다. 또한, 가급적 분수식 보다는 [속력 × 시간 = 거리] 곱셈 형태가
     좋다 지난번에 배웠지요?



(2) 이제, 경찰차가 달린 시간을 1 시간 이라고 놓고, 부등식을 세워 보도록 할까요?

경찰차가 달린 거리 = x km/h × 1 시간

범인이 달린 거리 = 50 km/h × (1 + 0.5) 시간



(3) 따라서, 경찰이 범인을 검거할 있으려면, 아래의 계산 결과와 같이
     경찰차의 최소 속력은 75 km/h.

x km/h × 1시간 ≥ 50 km/h × (1 + 0.5) 시간

∴  x ≥ 75





이번에는 같은 문제를 직선의 그래프를 이용해서 풀어 보도록 할까요?



(1) 일반적인 그래프로 나타내기 위해서는, 경찰차가 달린 시간을 t 라고 놓은 다음,
     정의역인 가로축으로 정하고, 경찰차와 범인이 달린 거리를 함수인 y 축으로
     놓는 것이 좋습니다.



(2) 범인이 달린 거리는 y = f (t) = 50 × (t + 0.5) 이고, 경찰차가 달린 거리는
     y = g (t) = x × t 되니까,

f (t) = 50 × (t + 0.5) ≤ x × t = g (t)



(3) 부등식의 좌변과 우변을, 좌표평면에 직선의 그래프로 나타내 볼까요?





(4) 범인은 30 전에 50 km/h 속력으로 도주하였으니까 그래프에서 빨간색의 직선으로, 경찰차는 추격하는 속력을 구하는 것이니까 파란색의 실선 또는 점선으로 나타낼 있겠지요?



(5) 이제, 1 시간 내에 범인을 검거하려면, 그래프의 노란색 으로 표시된 영역 안에서 경찰차인 파란색의 실선 혹은 점선이 범인인 빨간색 실선과 만나거나 위에 있어야 하겠지요?



(6) 따라서, 경찰차가 달려야 하는 최소한의 속력은, 그래프에서 파란색의 실선인 경우가 됩니다. , 함수식에 (1, 75) 대입하면 경찰차의 최소한의 속력이 구해집니다.

y = g (t) = x × t

75 = 1 × t

∴  x = 75 km/h




기초 단계에서는, 좌표평면에서 그래프나 부등식의 영역으로 푸는 방법이 까다롭고 어렵다고 느껴질 지도 모르겠지만, 상위권의 심화수준으로 갈수록 더욱 쉽고 강력한 해결 방법이니까, 반드시 기본 원리와 해결 과정을 철저하게 익혀 두기 바랍니다.







Solution  2034 1.  평행선과 동위각, 엇각      위의  소제목에 링크된 페이지에서 설명하는 동위각과 엇각을 잘 이해하셨나요?       서로 다른 두 직선이 한 직선과 만날 때, 두 직선이 평행하면 동위각의 크기는 서로      같...