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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.






               






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 = 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,
 3x²xy + 3y² 의 값을 구하여라.
────────────────────────

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


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


(1) 3x²xy + 3y² = 3(x² + y²)xy 이니까,

     변형공식을 이용하면,

    = 3{ (x + y)² – 2xy } – xy



(2) 따라서= 3(x + y)² – 7xy 이므로,

     x + y 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) { (ab)² + (bc)² + (ca)² }
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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) * { (ab)² + (bc)² + (ca)² }


따라서,
(a + b + c) (a² + b² + c² ab bc ca)
(1/2) (a + b + c) { (ab)² + (bc)² + (ca)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.
──────────────────────────







이차방정식(3) 근과 계수의 관계




근과 계수의 관계
The relationship between roots & coefficients


"해를 구하지 않고도 근들의 성질을 알 수 있어"
" to analyze the nature of roots
without solving the equation "









이차 방정식의 [근과 계수의 관계는 해를 구하지 않고도 근들의 합과 곱 그리고 차이를 알아내는 데 활용되는 중요한 도구이며, 방정식 단원에서는 대칭식과 관련된 응용된 계산 유형들을 해결하는 데 활용되기도 합니다.


대부분의 참고서들은근의 공식에서 유도되는 두 근의 합과 곱으로 원리를 설명하고 있습니다만,

삼차방정식 이상에서 일반화된 다항식의 근과 계수의 관계를 이해, 활용하기 위해서는두 근의 차이를 구하는 공식 외에는 항등식의 원리로 유도되는 방식으로 이해해 두는 것이 더 좋습니다.


이 뿐만 아니라이차함수와 그래프 단원에서 포물선의 축과 y 절편을 해석하고 응용하는 데 많이 활용되므로그래프를 포함하는 정확하고도 폭넓은 이해가 반드시 필요한 개념입니다.


3과 고1에 배우는 내용 중에서 방정식과 그래프를 종합적으로 연계시키는 매우 중요한 핵심 개념의 하나이니까기초적인 개념부터 철저하게 공부해 두기 바랍니다.





               






[ A ] 항등식과 근과 계수

이차방정식 ax² + bx + c = 0  해가 x = α 또는 β 라고 한다면, 앞의 [인수정리] 에서 배운 것과 같이,

(1) 좌변의 이차식은 (x α (x β라는 인수를 가질 테니까a(x α)(x β) = 0 라고 해도 같은 방정식이라 할 수 있겠지요?


(2) 따라서, 항등식의 원리에 따라,
          ax² + bx + c
        = a(x α)(x β)
        = ax² – a(α + β)x + aαβ


(3) 일차항의 계수와 상수항이 서로 같아야 하므로,
b = – a(α + β) 이고, c = aαβ


(4) , α + β =  – b/a 이고α *β c/a 가 됩니다.


위의 결과를 이차방정식에서의 [근과 계수의 관계라고 합니다.

[항등식의 계수비교] 방법은, 3차 이상의 방정식에서도 그대로 적용되는 일반적인 원리이니까, 위에서 항등식을 이용한 유도과정을 잘 기억해 두기 바랍니다.



추가로, 두 근의 차 | α β는 어떻게 유도할까요?


앞에서 배운 [근의 공식]을 이용하면,

(1) 두 근  x = {– – (b2 – 4ac)} / 2a  또는  x = {– (b2 – 4ac)} / 2a 가  x = α  또는 x = β 라는 두 근과 동일한 것이 되는 것이니까,

= { – ± (b2 – 4ac)} / 2a

– – (b2 – 4ac– (b2 – 4ac)


(2) | α β | = | {– (b2 – 4ac)} / 2a – {– – (b2 – 4ac)} / 2a |
= | 2*(b2 – 4ac) / 2|
= | (b2 – 4ac) / |

(3) 그런데(b2 – 4ac)  항상 양수(+) 이므로,

| α β | = (b2 – 4ac) / | |


이 공식은 조금 더 어려운 문제 유형 또는 [이차함수와 그래프] 단원에서 포물선이 [축을 잘라내는 길이] 라는 응용 문제에서 자주 등장하니까, 아예 외워 두는 것도 좋습니다.




오늘 배운 것들은 중요한 공식이니까, 한 번 정리해 둘까요?

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 이차방정식 ax² + bx + c = 0  해가  x = α 또는 β 라고 ,

     (1) α + β – b/a 

     (2) αβ c/a 

     (3) | α β | = = (b2 – 4ac) / | |
───────────────────────────────────────





, 역의 원리를 이용해서, 두 근 x = α 또는 β 를 알고 있을 때에는

(1) [인수정리]에 의하여, (x α) (x β)라는 인수를 가질 테니까,

(2) 최고차항이 인 이차 방정식은 a(x α)(x β) = 0
      즉, a{x² – (α + β)x + αβ} = 0 가 되겠지요?




이 내용도 하나의 공식으로 정리해 둘까요?

────────────────────────────────────
 최고차 항의 계수가 이고, x = α 또는 β 를 두 근으로 하는
 이차방정식은   a{x² – (α + β)x + αβ} = 0
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그러면, 위의 공식들을 이용하는 보기 문제를 풀어 볼까요?

─────────────────────────
 이차 방정식 x² – 5x + 3 = 0  근을
   x = α 또는 β 라고 ,
   α3 + β의 값을 구하여라.
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(1) [근과 계수의 관계] 공식을 이용해서, 두 근의 합과 곱을 금방 알 수 있지요?

α + β = 5,   αβ = 3


(2) 앞에서 배운 [대칭식]의 원리를 기억하고 있나요?
    합과 곱을 이용한 곱셈공식의 변형방법을 이용하면,

α3 + β3
= (α + β)3 – 3αβ(α + β)
= 53 – 3 * 3 * 5
= 5 * (25 – 9)
5 * 16 = 80




이번에는, 두 근을 알고 있을 때, 역으로 이차 방정식을 구하는 유형의 문제를 풀어 볼까요?

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 이차 방정식 x² – 4x + 2 = 0  근을
   x = α 또는 β 라고 ,
   α + β αβ 를 두 근으로 하고
 이차항의 계수가 2인 이차방정식을 구하여라.
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(1) [근과 계수의 관계]를 이용하면,
     α + β = 4, αβ = 2 이므로,

(2) 새로운 이차방정식의 두 근의 합 = 4 + 2 = 6 이고,
      두 근의 곱 = 4 * 2 = 8 이니까,

(3) 2(x² – 6x + 8) = 0


따라서, 답은 2x² – 12x + 16 = 0





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....