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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 x Q + R 이라  , A, B  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.








약수와 배수(3) 최대공약수와 최소공배수




최대공약수와 최소공배수
GCF and LCM


"두 정수의 최대공약수와 최소공배수를 곱하면
그 두 수의 곱과 같아요"

" product of any two integers
is equal to
the product of their associated GCF and LCM "








인수약수와 배수 그리고 최대공약수와 최소공배수의 기본 개념과 원리는 중등수준의 정수 범위에서 만이 아니라,

문자로 일반화시키면 곱셈공식과 인수분해의 기초원리가 되는 것이며분수식의 계산이나 고등수학의 다항식에서도 그대로 적용됩니다.

특히정수와 관련된 문제는중고등수학 전반에 걸쳐 난이도가 높은 심화문제로 결합되어 수시로 출제되니정확하게 이해하고 응용력을 키워두어야 합니다.






               






앞의 [약수와 배수단원에서 배웠던 것을 복습해 볼까요?


90 과 132는 소인수로 분해하면 90 = 2 x 32 x 5 이고, 132 = 22 x 3 x 11 이니까,


교집합 (∩) 의 개념을 이용해, 90 그리고 동시에 132 가 동시에 갖고 있는 약수 중에서

가장 큰 2 x 3 = 6 을 최대공약수 (GCF),

그리고 합집합 (의 개념을 이용해 90 또는 132 를 포함할 수 있는 배수 중에서

가장 작은 22 x 32 x 5 x 11 을 최소공배수 (LCM) 라 한다는 것을 배웠습니다.



이제이 구조를 좀 더 자세히 살펴 보기 위해서두 수와 L 을 를 사용해서 다시 표현해 보도록 할까요?

90 = 3 x 5 x G

132 = 2 x 11 x G


L = 22 x 32 x 5 x 11

= 2 x 3 x 5 x 11 x G




따라서계산되는 구조를 보면다음과 같은 규칙을 발견할 수 있습니다.

90 x 132

= (3 x 5 x G) x (2 x 11 x G)

= 2 x 3 x 5 x 11 x G x G

= 2 x 3 x 5 x 11 x G2

= L G





알아낸 이 내용을문자로 일반화시켜 볼까요?




 정수 A 최대공약수를 G최소공배수를 이라  A = a 그리고 B = b x (a, b  서로 라고 놓으면,

(1) B =G 이고,  
(2) G 은 의 약수








이 원리를 이용하는 예제를 살펴 볼까요?





서로소가 아닌  자연수 A(B 곱이 726    A 구하여라.






(1) 앞에서 배운 대로우선 726 을 소인수 분해 해야겠지요?

726 = 2 x 3 x 112



(2) = B = 라 놓으면 두 수의 곱에는 G2 가 포함되어 있으니까,
 
= 11 이고나머지가 서로소인 a의 곱이겠지요?



(3) 서로소인 a는 과 뿐만이 아니라 1 도 있네요!

따라서구하는 두 자연수는,


= 3 x 11 = 33,  = 2 x 11 = 22

또는

= 6 x 11 = 66,  = 1 x 11 = 11 이므로,


답은 (AB) = (33, 22) or (66, 11).






약수와 배수(1) 인수, 약수와 배수






약수와 배수
factors and multiples


"소수를 알면
숫자가 쉽게 보여"

" having learned prime factors,
any integer looks easy "








정수범위 내에서소수 (prime number) 는 더 이상 나누어지지 않는 기초단위라서숫자를 이해하는 데 아주 편리합니다.

정수를 소수들의 곱으로 분해해 보면숫자들 사이에 공통적인 요소를 쉽게 알아낼 수 있어공약수나 공배수를 찾아 내서 영리한 계산을 하는 데에도 큰 도움이 되지요.

나 과 같은 소인수를 문자라고 간주하면숫자도 문자들의 곱으로 이루어진 식으로 생각하고 처리할 수 있어서일반적인 원리나 공식을 유도해 내거나 응용력을 향상시킬 수 있습니다.





               






예를 들어 14 를 으로 나누면 몫이 이고 나머지가 라고 할 때초등 산수에서는 14 ÷ 3 = 4 ⋯ 와 같은 표현을 쓰지만, 중학수학부터는 반드시 14 = 3 * 4 + 2 라는 하나의 식으로 나타낼 줄 알아야 합니다.


이 내용을 문자로 일반화시켜 볼까요?

문자나 수학기호만 나오면 멀미(^^)가 난다구요?


처음에는 어렵겠지만조금씩 익숙해지면, ‘어쩌면 이렇게 간단하면서도 논리적으로 정교한 언어가 만들어 졌을까’ 하고 경탄하게 될 겁니다진정한 수학의 재미는 기호와 문자를 이용한 일반화에 있으니까요.


위에서 예를 들었던 나눗셈을 문자로 일반화시킨다면, ' 0 이 아닌 로 나누면몫이 Q(quotient)이고, 나머지가 R(remainder)이다라고 하고식으로는 A = B Q + R 로 나타낼 수 있습니다. 



이번에는 나누어 떨어지는 경우를 생각해 볼까요?


나누어 떨어진다면나머지가 없겠지요?

문자로 나타내면 = 0 이니까식으로는 A = B Q 라고 표현할 수 있겠지요?


이렇게 나머지가 없이 나누어 떨어질 때는 와 의 곱이니까, 는 또는의 배수라고 합니다와  의 약수 또는 인수라고 합니다. 



특히중학 수학부터는 AB가 모두 정수인 경우로 확장됩니다.


예를 들자면, 6 = 2 * 3 = 1 * 6 = (– 2) * (– 3) = (– 1) * (– 6) 이 성립하니까,
1, 2, 3, 6, – 1, – 2, – 3, – 6 은 모두 의 약수가 됩니다.


또, – 3 의 경우도 – 3 = 1 x (– 3) = 3 x (– 1) 이 성립하니까,
1, 3, – 1, – 3, 은 모두 – 3 의 약수가 되지요. 




(1) 짝수와 홀수


예를 들어A = 2Q 라고 표현하면 A가 의 배수 즉짝수라는 것을 나타내고A = 2– 1 인 경우는 홀수를 나타내는 것입니다.

마찬가지로중학 수학부터는 A가 모두 정수인 경우로 확장되니까가 이거나 음수(–) 인 경우도 포함되므로, 2, 4, 6 ⋯ 만이 아니라0, – 2, – 4, – 6 ⋯ 도 짝수라는 점에 주의해야 합니다. 




(2) 소수와 합성수


'소수는 과 자기자신 이외에는 약수를 갖지 않는, 1 보다 큰 자연수(정수가 아니라는 점에 주의를 말합니다이 소수들은 '합성수를 분해해서 보거나두 개 이상의 합성수들 사이에서 공통되는 인수를 알아내는 데 아주 유용합니다. 


'합성수는 '1 과 자기자신 이외에적어도 하나 이상의 다른 양(+) 의 약수를 갖는, 1 보다 큰 자연수라고 정의하니까, '보다 큰 자연수 중에서 소수가 아닌 수라고 말하기도 합니다


따라서 자연수는 '1' 과 '소수들과 '합성수들의 가지로만 이루어져 있다고 할 수 있겠지요? 





예를 들어, 90 과 132 는 어떤 공통점을 가지고 있을까요?


90 과 132 를 소수로 분해해 보면 되겠지요소인수로 분해하면서로 와 이라는 공통점 즉이라는 공통인수(공약수)를 가집니다. 

90 = 2 x 3 x 3 x 5 = 2 x 32 x 5
132 = 2 x 2 x 3 x 11 = 22 x 3 x 11



여기서, (1) 교집합의 개념을 이용해서, 90 그리고(∩) 132 가 동시에 갖고 있는 약수 중에서 가장 큰 것인, 2 x 3 = 6 을 최대공약수(G),


(2) 합집합의 개념을 이용해, 90 또는() 132 를 포함할 수 있는 배수 중에서 가장 작은 것인 22 x 32 x 5 x 11 = 1980  최소공배수(L) 라고 하고,

기호로는 G (90, 132) = 6 과 L (90,132) = 1980 와 같이 사용합니다. 



모든 정수를 이렇게 소수로 분해 (소인수분해하고 나면여러 개의 수 사이의 공약수나 공배수를 찾기가 쉬워서공통인수로 약분을 하거나 분배법칙으로 묶어서 계산할 때아주 편리합니다. 




예를 들어 계산문제를 한 번 볼까요?

나 과 같은 소인수를 문자라고 간주하고숫자도 문자들의 곱으로 이루어진 식으로 생각해 보세요. 공통인수로 묶거나 약분으로 정리가 모두 끝난 다음, 마지막에만 간단히 계산하면 모든 문제가 너무 쉽고 간편해 지지요.



132 ÷ 18 x 5 – 90 x 11 ÷ 36

(2 * 2 * 3 * 11) ÷ (2 * 3 * 3) * 5 – (2 * 3 * 3 * 5) * 11 ÷ (2 * 2 * 3 * 3)

(2 * 2 * 3 * 11 * 5/ (2 * 3 * 3) – (2 * 3 * 3 * 5 * 11) / (2 * 2 * 3 * 3)


약분해 주면

(2 * 11 * 5/ 3 – (5 * 11) / 2


공통인수를 묶어주면

= 5 * 11 * (2/3 – 1/2)


최소공배수(L)로 분모를 통분하면

= 5 * 11 * (4/6 – 3/6)

= 5 * 11 * 1/6

55/6




               

영어번역을 함께 보시려면, 아래의 링크를 눌러주세요.

Please click the following link
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http://jaymathbee.blogspot.kr

               





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....