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곱셈공식(1) 곱셈공식



곱셈공식
expanding polynomials


"기본적인 곱셈공식은 외워두어야 해요"
" You should memorize basic polynomial expansions "







다항식의 전개는 다항식끼리의 곱셈을 주로 분배법칙을 이용하여 계산한 후, 한 문자에 관한 내림차순으로 정리하는 것입니다.

이 결과들을 곱셈공식이라 하고 다항식을 인수 분해하는 원리 및 그 과정과 역의 관계가 됩니다.

초등수준에서 구구단을 외워 두어야 산수계산을 잘 할 수 있는 것과 마찬가지로, 중고등수학에서 방정식 등을 해결하기 위하여는 반드시 기초적인 곱셈 공식들을 외워 두어야만 합니다.

상위수준의 어려운 심화수학도 기본적인 원리나 공식에 대한 암기에서 출발한다는 점을 명심하고, 철저히 복습하고 기억해 두기 바랍니다.






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[ 1 ] 기초 공식

지난 번에 배웠던 곱셈 공식을 복습해 볼까요?

(1) (a – b)² = (a – b) * (a – b)
= (a – b) * a – (a – b) * b
= a² – ba – ab + b²
= a² – 2ab + b²

이렇게 항이 2개인 다항식을 여러 번 거듭해서 곱하는 것을 특별히 [이항정리]라고 합니다. 이와 관련된 [파스칼의 삼각형]이나 [조합을 이용한 전개식] 등은 뒤에서 다루도록 합니다.


우선, 기초적인 곱셈 공식들을 보도록 할까요? 반드시 직접 식들을 전개하고 정리한 후, 그 결과를 공식으로 암기해 두기 바랍니다.

(2) (a + b) (a – b) = (a + b) * (a – b)
= (a + b) * a – (a + b) * b
= a² + ba – ab + b²
= a² – b²

위 식은 워낙 유명하고 자주 활용되어, [합차공식] 이라고도 불립니다.


(3) (x + a) (x + b) = (x + a) * (x + b)
= (x + a) * x + (x + a) * b
= x² + ax + xb + ab
= x² + (a + b)x + ab

이 식은 (x + a) 대신에 ( x – α ), 그리고 (x + b) 대신에 ( x – β ) 를 대입하면,
( x – α ) ( x – β ) = 0 이라는 형태가 되고, 이차방정식의 두 근 α, β 와 계수와의 관계의 단원에서 자주 나오는 중요한 공식입니다.


(4) (ax + b) (cx + d) = (ax + b) * (cx + d)
= (ax + b) * cx + (ax + b) * d
= acx² + bcx + adx + bd
= acx² + (ad + bc)x + bd

위 식은 일반적으로 이차항의 계수가 1이 아닌 이차방정식을 인수분해할 때 많이 쓰입니다.


(5) (a + b + c)² = (a + b + c) * (a + b + c)
= (a + b + c) * a + (a + b + c) * b + (a + b + c) * c
= a² + ab + ac + ab + b² + bc + ac+ bc+ c²
= a² + b² + c² + 2ab + 2bc + 2ca




[ 2 ] 심화 공식

이제, 고등수학 수준에서 자주 등장하는 조금 더 심화된 공식들을 살펴 볼까요?

(6) (a + b)³ = (a + b)² * (a + b)
= (a + b)² * a + (a + b)² * b

여기서, 앞의 결과를 이용하면,

= (a² + 2ab + b²) * a + (a² + 2ab + b²) * b
= a³ + 2a²b + ab² + a²b + 2ab² + b³
= a³ + 3a²b + 3ab² + b³


참고로
, 
음수의 경우는 (a – b)³ = { a + (– b) }³라고 생각하는 것이 쉽고, 
외우기도 아주 편리하지요.

(6-1)  (a – b)³ = { a + (– b) }³
= a³ + 3a²(– b) + 3a(– b)² + (– b)³
= a³ – 3a²b + 3ab² – b³



(7) (x + a) (x + b) (x + c) = (x + a) (x + b) * (x + c)

이것도 앞의 (3)의 결과를 이용하면,

= { x² + (a + b)x + ab } * (x + c)
= { x² + (a + b)x + ab } * x + { x² + (a + b)x + ab } * c
= x³ + (a + b)x² + abx + cx² + (a + b)cx + abc
= x³ + (a + b)x² + abx + cx² + acx + bcx + abc
= x³ + (a + b + c)x² + (ab + bc + ca)x + abc

이 경우도, ( x – α ) ( x – β ) ( x – γ ) = 0의 형태로 바꾸면, 삼차방정식의 세 근 α, β, γ 와 계수와의 관계 단원에서 나오는 중요한 공식이 됩니다.



(8) (a + b) (a² – ab + b²)
= a * (a² – ab + b²) + b * (a² – ab + b²)
= a³ – a²b + ab² + ba² – ab² + b³
= a³ + b³


음수의 경우는 위에서 설명한 것과 마찬가지로, (8)번 식에서 b 대신에 (– b)를 대입한다고 생각하면, 


(8-1) (a – b) (a² + ab + b²) = {a + (– b)}{a² – a * (– b) + (– b)²}
= a * (a² + ab + b²) – b * (a² + ab + b²)
= a³ + a²b + ab² – ba² – ab² – b³
= a³ – b³

이 식도 하나의 쌍으로 
외우기도 아주 편리하지요. 자주 활용되는 중요한 공식이니, 원리와 함께 꼭 기억해 두기 바랍니다.



(9) (a + b + c) (a² + b² + c² – ab – bc – ca)
      = a * (a² + b² + c² – ab – bc – ca) + b * (a² + ⋯ ) + c * (a² + ⋯ )
= a³ + ab² + ac² – a²b – abc – ca² + ba² + ⋯
...
= a³ + b³ + c³ – 3abc

위 식은 고등수학의 심화문제에서 단골로 등장하는 매우 중요한 공식입니다. 전개 과정을 일부러 생략했으니, 스스로 전개해서 결과를 정리해 본 후, 반드시 외워서 활용할 수 있도록 공부해 두어야 합니다.


이 공식은 특히 다음과 같은 변형공식으로 훨씬 더 많이 활용됩니다. 원리를 이해한 후, 외워 두세요.

   a² + b² + c² – ab – bc – ca
= (1/2) * (2a² + 2b² + 2c² – 2ab –2bc – 2ca)
= (1/2) * (a² – 2ab + b² + b² –2bc + c² + c² – 2ca + a²)
= (1/2) * { (a – b)² + (b – c)² + (c – a)² }

따라서,

(a + b + c) (a² + b² + c² – ab – bc – ca)
= (1/2) (a + b + c) { (a – b)² + (b – c)² + (c – a)² }


매우 중요한 변형 공식이니까, 반드시 외워 두기 바랍니다.



곱셈공식(2) 곱셈공식의 변형



곱셈공식의 변형
various forms of polynomial expansion


"변형공식들도 기억해두면 좋아요"
" To memorize transformed polynomial expansions
should be very helpful "







앞에서 배운 곱셈공식은 [근과 계수와의 관계]나 [대칭식] 등의 문제를 풀 때, 여러 가지로 변형시키면서 활용할 수가 있습니다.

이 변형 공식들 역시, 그 원리들을 철저히 복습하고 다양한 유형의 문제들을 해결할 수 있도록 잘 외워 두어야만 합니다.

상위수준의 어려운 심화수학도 기본적인 원리나 공식에 대한 암기의 기초 위에서 출발한다는 점을 명심하고, 확실하게 이해하고 기억해 두기 바랍니다.






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우선 문제를 하나 볼까요?

───────────────────────────
 이차방정식 x² + x + 1 = 0 의 두 근을 α, β 라 할 때,
 α² + β²의 값을 구하여라.
───────────────────────────


이런 유형의 문제를 풀 때, 지난번에 배웠던 곱셈공식 (a + b)² = a² + 2ab + b² 을 변형시켜서 이용하면 아주 편리하게 계산할 수 있습니다.

위의 곱셈공식을 변형하면 a² + b² = (a + b)² – 2ab 이지요?


이제, 이것을 이용해서 문제를 풀어 보도록 합시다.


(1) 이차방정식의 [근과 계수와의 관계]에서, α + β = – 1 이고 αβ = 1 이니까,

(2) 변형 공식에 이 값들을 대입하면, α² + β²= (α + β)² – 2αβ
      따라서, (– 1)2 – 2 * 1 = – 1.



이 변형 공식은 두 수의 합과 곱이 주어지고, 두 수 제곱들의 합을 알아내는 데 아주 편리한 공식입니다.




이번에는 대칭식에서 활용되는 예를 하나 풀어 볼까요?

─────────────────────────
 x + y = 2 이고,  xy = – 3 이라 할 때,
 3x² – xy + 3y² 의 값을 구하여라.
─────────────────────────

위에 주어진 식과 같이 x 와 y 의 자리를 서로 바꾸어도, 식의 모양이 변하지 않는 형태의 식을 대칭식이라 합니다.


이런 대칭식의 구조 형태는 x + y 와 xy 만으로 식을 쉽게 변형시킬 수가 있고,
그 다음에 x + y 와 xy 의 값을 대입하면, 간단하게 식의 값을 구할 수가 있습니다.


(1) 3x² – xy + 3y² = 3(x² + y²) – xy 이니까,

     변형공식을 이용하면,

    = 3{ (x + y)² – 2xy } – xy



(2) 따라서, = 3(x + y)² – 7xy 이므로,

     x + y 와 xy 의 값을 대입하면,

     3 * (2)² – 7 * (– 3) = 33





이제, 주요 변형식들을 공식으로 정리해 볼까요?
─────────────────────────────────────
 (1) a² + b² = (a + b)² – 2ab
 (2) a² + b² = (a – b)² + 2ab
 (3) (a + b)² = (a – b)² + 4ab
 (4) ab = (1/4) * { (a + b)² – (a – b)² }
 (5) a³ + b³ = (a + b)³ – 3ab(a + b)
 (6) a³ – b³ = (a – b)³ + 3ab(a – b)
 (7) (a + b + c) (a² + b² + c² – ab – bc – ca)
       = (1/2) * (a + b + c) { (a – b)² + (b – c)² + (c – a)² }
─────────────────────────────────────


위의 (7)번의 변형공식은 심화유형에서 수시로 등장합니다.
원리를 이해한 후, 반드시 외워 두기 바랍니다.


  a² + b² + c² – ab – bc – ca
= (1/2) * (2a² + 2b² + 2c² – 2ab –2bc – 2ca)
= (1/2) * (a² – 2ab + b² + b² –2bc + c² + c² – 2ca + a²)
= (1/2) * { (a – b)² + (b – c)² + (c – a)² }


따라서,
(a + b + c) (a² + b² + c² – ab – bc – ca)
= (1/2) (a + b + c) { (a – b)² + (b – c)² + (c – a)² }





그러면 이제, 확인 문제를 한번 풀어 볼까요?

──────────────────────────
 이차방정식 x² + 3x + 1 = 0 의 두 근을
 α, β 라 할 때, α² – β² 의 값을 구하여라.
──────────────────────────







두 직선의 위치관계 Solution 12131

Solution  1 2131 1. 각기둥의 높이     두 면(밑면)이 서로 평행하고 합동인 다각형으로 이루어진 입체도형을 각기둥이라고 합니다.      밑면이 삼각형이면 삼각기둥 이라고 하 고,  두 밑면 사이의 (최단)거리를 높이 라고 하지요....