에쎄이(1) 산수에서 수학으로





산수에서 수학으로
from arithmetic to real mathematics



"진짜 수학의 모습은
일반화와 기호화입니다"

" real math is characterized by
generalization and symbolization "








초등학교까지는 대부분 자연수 범위 내에서 답을 구하기 때문에, 풀이과정을 자세히 확인하지 않고답만 맞추는 식으로 문제를 풀다가는 엉뚱한 수학공부를 하기 쉽습니다.


머리가 똑똑하지만 잘못된 방법으로 배운 학생들은정답이 예상되는 자연수 중에서 그럴듯한 수를 문제에 암산으로 대입해서쉽게 답을 찾아내는 영리한 방법을 곧잘 씁니다.


그러나, 중학수학에서는 답을 구하는 범위가 실수까지 늘어나고익숙했던 숫자대신 문자로 풀어야 하는 중급 이상의 단계가 되면초등과정에서는 성적이 우수했던 학생인데도에 관한 간단한 방정식 하나를 못 세워 쩔쩔매는 경우를 가끔 봅니다.


이런 잘못된 폼(공부방법)을 고치고 방지하려면조금 시간이 걸리더라도주관식 서술형으로 풀이 과정을 한 단계씩그리고 가장 좋기로는 훌륭한 선생님과 구술식의 문답으로 왜 그렇게 되지?’ 를 물어가며하나씩 점검해 봐야 합니다.



수학적 기초개념을 어느 정도 갖춘 부모님이나 혹은 선생님이시라면우리 학생이 쉽게 답을 골라 내는 문제 중 아무거나 하나를 골라,

(1) ’10 이하의 자연수 중에서 …’  1000 이하’ 로 숫자를 크게 늘리거나

(2) ’10 까지 …’  N 까지 ’  문자로 바꾸어 다시 풀도록  보세요.


숫자나 문자 하나를 바꿨는데도 문제가 갑자기 심화수준으로 바뀌고무언가 일반적인 규칙이나 원리를 찾지 못해 쩔쩔맬 수도 있습니다.




이것이 중학교부터 시작되는 수학의 진정한 모습일반화추상화기호화입니다.


수학실력이란 각 단원 별로 이러한 일반화, 추상화, 기호화의 핵심적인 기본개념을 충분히 익혀서 자기 것으로 만들고, 유사한 문제를 만났을 때이 개념들을 이용해서 해결해 나갈 수 있는 응용력을 키우는 것입니다.


중학시절에 이런 훈련을 제대로 해 놓아야고등학교에서도 다양한 내용의 고등수학 과정의 공부를 잘 해 나갈 수 있습니다.




초등학교 수준에서 너무 쉬운 기초문제들만 연습하는 방법은, 앞에서 예를 든 것과 같이, 우리 아이가 정답이 예상되는 자연수 중에서 그럴듯한 숫자를 문제에 미리 암산으로 대입해서쉽게 답을 찾아내는 영리한 방법을 곧잘 쓸 수도 있기 때문에

전혀 수학적인 원리를 전혀 이해하지 못하고 답만 맞히는 경우인데도, 실력이 좋은 우수한 선생님이 아니면 학생이 이해하고 알고 있는 것으로 착각할 수가 있어서어느 정도는 중급 난이도 이상의 문제도 공부를 해야 수학의 핵심개념과 응용력을 다질 수 있습니다.


또한, 시중에 나와 있는 상위 난이도 문제집의 심화문제 중 상당수는고등학교에서 다루는  수학문제 그대로를 베낀 것도 많아 주의할 필요가 있습니다그런 문제들은 고등학교 수학에서 활용되는 개념과 이론을 함께 배워 두지 않으면, 아직 실력이 갖추어지지 않은 중학생이나 초등학생들에게는 오히려 독이 될 수도 있기 때문이죠.



중학과정부터는 초등산수를 벗어나 진정한 수학의 개념을 배워야 하고 또고등학교까지 활용될 수 있는 개념과 이론을 어느 정도까지는 다져 놓고 응용력도 키워 두어야 하니중학시절의 올바른 수학 공부가 너무 중요합니다.


특히이과의 경우는 공부해야 할 수학의 양이 상당히 많아2부터는 거의 외길 수순으로 매진해야 합니다그러니 현실적으로는 중학시절에적어도 고수준까지의 핵심적인 수학개념과 어느 정도의 응용력은 반드시 갖추어 두어야상위권 학생이 될 수 있습니다.





행렬(6) 케일리-해밀턴 정리의 역





케일리-해밀턴 정리의 역
converse of Cayley-Hamilton theorem


"례에는 실수배의 단위행렬도 있어요"
 " [k x I2] is also a counter example "








최근 들어, [케일리-해밀턴 정리]는 표준교과 외의 개념으로 간주되어평가원의 수능이나 모의 수능에서는 거의 제외되고 있습니다만,

그럼에도 불구하고아직도 학원가 또는 수능문제집의 심화유형에서최소값 또는 최대값을 물어보는 문제로 자주 출제 됩니다.

결과는 간단하니까이왕이면 이해해 두고외워서 문제 해결에 활용하기 바랍니다.


참고로, [행렬단원은 구 고등과정 교과표준에 따라 (2×2) 행렬을 기준으로 설명하며현재 고 부터는 이 [행렬단원을 개정된 표준교과에 따라배우지 않는다는 점도 알아 두기 바랍니다.






               






앞에서 배웠던 [케일리-해밀턴 정리]의 내용을 복습해 볼까요?


행렬 A = [  가 주어졌을 때, A2 – (d) A + (ad – bc) E = O 는 항상 성립하,
             [ c  ]
이 식을 [케일리-해밀턴 정리라고 했었지요?


참고로우리나라에서는 (2 x 2) 의 단위행렬을 라고 표현하지만영미권 국가에서는 I2 라고 표현합니다.




그러면이번에는 반대로, A2 – A – 2E = O 를 만족하는 행렬 A 를 어떻게 찾아 내는지한 번 알아 보도록 할까요?


우리가 배웠던 [케일리-해밀턴 정리를 기억한다면① d = 1 이고
② ad – bc = – 2 를 만족하는 행렬이기만 하면아무거나 다행렬 A 가 될 수 있겠지요?


미지수가 4 개인데식은 2 개 밖에 없는 연립방정식이니까해가 무수히 많을 것이고따라서 행렬 A 도 무수히 많겠군요.




한번 구체적인 예를 들어 볼까요?

[ 1  2 ]
[ 1  0 ]

[ 0  2 ]
[ 1  1 ]




위의 무수히 많은 ... 이런 종류들만 있는 것이 아닙니다. [케일리-해밀턴 정리의 역은 성립하지 않는다고 할 때진짜로 중요한 반례는 따로  있습니다.




원리는 뒤에서 설명하도록 하고 우선 그 진짜로 중요한 반례를 찾는 요령부터 알아 보도록 할까요?

주어진 식, A2 – A – 2E = O 는 곱셈의 교환이 가능한 A  E 만으로 이루어져 있으니까인수분해가 가능하겠네요.

(A + E)(A – 2E) = O

∴   A = – E  or  A = 2E



마치 이차방정식을 푸는 것과 같이구해지는 A = – E 또는 A = 2E가 진짜로 중요한 또 다른 반례입니다.




실제로 케일리-해밀턴의 식을 만족하는지 확인해 볼까요?

A2 – A – 2E = (– E)2 – (– E) – 2E = O

A2 – A – 2E = (2E)2 – (2E) – 2E = O





이런 일이 일어난 것일까요문자를 써서 일반적인 원리를 알아내 볼까요?



[케일리-해밀턴 정리의 역이 '으로서 성립한다 라고 가정한다면,

행렬 A =  [  에 대하여, A2 + A + E = O 이라는 식은 반드시
              [ c  ]

A2 – (d) A + (ad – bc) E = O 이라는 식과 일치해야 되겠지요?



(1) 따라서두 식을 항등식으로 같다고 놓고 풀어서 정리하면,

A2 + A + E = A2 – (a + d) A + (ad – bc) E

(p) A = (ad – bc – q) E



(2) 여기서a + p = 0 이라면원래의 케일리-해밀턴의 식이 성립하는 것이지만만일 a + p ≠ 0 이라면, A = {(ad – bc – q)/(p)} E.



(3) 바로 이 행렬 A = {(ad – bc – q)/(p)} E  [케일리-해밀턴 정리의 계수와 관련이 없는또 다른 반례가 되는 행렬입니다.



(4) A = {(ad – bc – q)/(p)} E = 라 놓고앞의 예인 A2 – A – 2E = O 에 대입해 볼까요?

A2 – A – 2E = O

(E)2 – (E) – 2E = O

(k2 – k – 2)E = O



(5) 따라서k2 – k – 2 = 0 이니까앞에서 ‘마치 이차방정식을 푸는 것과 같은’ 원리로 구해지는 것입니다.

(k + 1)(k – 2) = 0

∴   A = – E  or  A = 2E





이 결과를 하나의 공식과 같이 정리해 둘까요?

A2 + A + E = O 을 만족하는 행렬 A =  를 찾아내는 방법은,
                                                         [  ]




(1) [케일리-해밀턴 정리에서 d = – 와 ad – bc = q 를 만족하는 행렬들을
     찾아내거나,

       또는 (or)

(2) 추가로A =  경우도 생각해서k2 pk + q = 0 를 만족하는 실수배의
     단위행렬(들)도 찾아내야 한다.








최근 들어이 유형은 평가원의 수능 혹은 모의수능에서는 거의 출제되고 있지 않지만학원가 또는 수능문제집의 심화유형에서의 최소값이나 ad – bc 의 최대값을 물어보는 문제로 꾸준히 출제되고 있습니다.



보기 문제를 하나 보도록 할까요?





행렬 A =  ]  A2 – 2A – 3E = O 을 만족할 때의 최솟값을 구하여라.
             [  ]





(1) 우선, A ≠ k E 인 경우를 생각해서, [케일리-해밀턴 정리를 적용해야 하겠지요?

d = 2,   ad – bc = – 3

∴  a + d = 2



(2) 그 뿐만이 아니라이제 A = k E 인 경우도 생각해야 되겠지요?

k2 – 2k – 3 = (k – 3)(k + 1) = 0

k = 3  or  k = – 1


A = [ 3  0 ]
      [ 0  3 ]

or

A = [ -1  0 ]
      [ 0  -1 ]


  d = 6  or  – 2



(3) 따라서답인 의 최솟값은 – 2.





               

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행렬(9) 영인자 행렬





영인자 행렬
zero divisor matrices


"행렬 진위문제에서 유명한
악동 4형제와 그 사촌들을 소개합니다"
“ Let me introduce ‘brat 4 brothers’ “











원래 행렬을 배우는 표준 수학의 본질에서는 다소 벗어나 있지만우리나라 고3의 수능이나 모의고사 문제에서는행렬의 연산에서 지나치게 어려운 유형이나 진위 유형이 자주 출제됩니다.


특히, 실수의 성질과는 다르게도, 영행렬이 아니면서도 곱하면 영행렬이 되는 영인자 행렬은, [행렬단원의 진위 유형에서 수시로 출제되고 있습니다.

실전 응용력을 키우기 위하여는 결과만이 아니라대표적인 반례들과 유도과정 완벽하게 이해하고, 기억해 두기 바랍니다.


현재 고 1부터는 이 [행렬단원을 개정된 표준교과에 따라배우지 않습니다만심화유형의 수열이나 벡터에서는 행렬의 기본개념이 필요하다는 점도 알아 두기 바랍니다.

 [행렬단원은  고등과정 교과표준에 따라 (2×2) 행렬을 기준으로 설명합니다.






               





실수범위에서인수분해가 되는 방정식을 푸는 원리 등에서 귀가 따갑게 익혀 왔던,
[ ab = 0 이면 a = 0 또는 b = 0 ] 이라는 Zero Product Property 원리가
행렬에서도 그대로 적용이 될까요?

물론너무나 많이 들어서거의 대부분의 학생들은 외우고 있겠지만당연히 아닙니다.




이러한 반례를 하나 들어 보도록 할까요?


[ 1   1 ] * [  1   1 ] = ??
[ 2   2 ]   1 ]      

= [  1*1+1*(1)    1*1+1*(1)  ]
   [  2*1+2*(1)    2*1+2*(1)  ]

= [ 0  0 ]  =  O
   [ 0  0 ]        




이렇게 자기자신은 영행렬이 아니면서곱하면 영행렬의 결과를 만드는
[ 1   1 ] 또는 [  1   1 ] 와 같은 행렬들을 영인자 또는 영인자 행렬이라 부릅니다.
[ 2   2 ]        1 ]


이러한 영인자 행렬들은우리가 실수 범위의 연산에서 너무나 익숙하게 익혀 왔던, [ ab = 0 이면 a = 0 또는 b = 0 ] 과 같은 원리를 무력화시켜 버리지요.


따라서, [행렬] 단원의 진위형 문제 등에서 수시로 출제되기 때문에상위권 학생들이라도몇 가지 대표적인 반례의 행렬들은 반드시 외워둘 필요가 있습니다.





그래서오늘은 여러 유형의 반례에 자주 활용되는, [행렬단원에서 아주 유명한
[악동 4형제] 를 소개하고자 합니다.


우선이름을 P, Q, R, S 라고 붙이고, 어떻게 생긴 녀석들인지 한번 볼까요?
분명히 영행렬 들은 아니지요?


P = [ 1  0 ]
      [ 0  0 ]

Q = [ 0  1 ]
      [ 0  0 ]

R = [ 0  0 ]
      [ 1  0 ]

S = [ 0  0 ]
      [ 0  1 ]
 



그러면이 [악동 4형제] 들이 만들어 내는 여러 가지 반례들을 하나씩 살펴볼까요?



[ 1 ] AB = O 이면 A = O 또는 B = O    거짓


(1) [악동 4형제를 P = A, R = B 에 대입해 보면, P 와 중 어느 것도 영행렬이
     아닌데도 불구하고,

P(≠ O) x R(≠ O)

[ 1  0 ] * [ 0  0 ]
   [ 0  0 ]   [ 1  0 ]

= [  1*0+0*1    1*0+0*0  ]
   [  0*0+0*1    0*0+0*0  ]

= [ 0  0 ]  =  O
   [ 0  0 ]        



(2) 참고로 명제는 역행렬이 존재할 때는 참이 된다는 점에 주의해야 합니다.
     당연히 [악동 4형제들은 역행렬이 존재하지 않으니까논외로 해야겠지요?


(3) 증명을 통해서 진위를 판별해 볼까요만일, A-1  존재한다고 가정하고,
     양변의 왼쪽에서  역행렬을 곱해주면,


AB = O

A-1 x AB = A-1 x O

A-1A x B = O

E x B = O

  B = O





[ 2 ] A2 = O 이면 A = O    거짓


(1) 위 식의 대신에 을 대입해 보면, R 은 영행렬이 아닌데도 불구하고,


{R(≠ O)}2

[ 0  0 ] * [ 0  0 ]
   [ 1  0 ]   [ 1  0 ]

= [  0*0+0*1    0*0+0*0  ]
   [  1*0+0*1    1*0+0*0  ]

= [ 0  0 ]  =  O
   [ 0  0 ]        





[ 3 ] (AB)2 = A2B2 이면 AB = BA    거짓


(1) [악동 4형제 P = A, Q = B  대입해 보면,


P x Q

[ 1  0 ] * [ 0  1 ]
   [ 0  0 ]   [ 0  0 ]

= [  1*0+0*0    1*1+0*0  ]
   [  0*0+0*0    0*1+0*0  ]

= [ 0  1 ]
   [ 0  0 ]



(2) 따라서좌변의 식을 계산해 보면,

(AB)2 = (PQ)2

[ 0  1 ] * [ 0  1 ]
   [ 0  0 ]   [ 0  0 ]

= [  0*0+1*0    0*1+1*0  ]
   [  0*0+0*0    0*1+0*0  ]

= [ 0  0 ]  =  O
[ 0  0 ]     



(3) , P2  Q2  계산해서 우변의 식을 계산해 보면,



P2 = [ 1  0 ] * [ 1  0 ]
       [ 0  0 ]   [ 0  0 ]

= [  1*1+0*0    1*0+0*0  ]
   [  0*1+0*0    0*0+0*0  ]

= [ 1  0 ]
   [ 0  0 ]


Q2 = [ 0  1 ] * [ 0  1 ]
        [ 0  0 ]   [ 0  0 ]

= [  0*0+1*0    0*1+1*0  ]
   [  0*0+0*0    0*1+0*0  ]

= [ 0  0 ]  =  O
[ 0  0 ]     


   P2 x Q[ 1  0 ] * O = O
       [ 0  0 ]



(4) 가정인 (PQ)2 = P2Q2  성립하지만, PQ ≠ QP 로서 반례가 됩니다.


Q x P

 [ 0  1 ] * [ 1  0 ]
    [ 0  0 ]   [ 0  0 ]

= [  0*1+1*0    0*0+0*0  ]
   [  0*1+0*0    0*0+0*0  ]

= [ 0  0 ]  =  O
[ 0  0 ]     


   PQ ≠ QP






[ 4 ] (AB)2 = (BA)2 이면 AB = BA    거짓


(1) [악동 4형제 P = A, Q = B  대입해 보면앞에서 이미 계산해 보았던 대로,


(PQ)2 = (QP)2 = O



(2) 그러나앞에서 계산한 과정에서 보았던 대로결론은 PQ ≠ QP  반례가 됩니다.


PQ = [ 0  1 ] ≠ [ 0  0 ] = QP
[ 0  0 ]    [ 0  0 ]






[ 5 ] AC = BC 이면 A = B    거짓


(1) 주어진 식을 이항해서 정리해 본다면 (A – B) x C = O  형태가 되므로
     위의 [ 1 ]  유형에서 [ ab = 0 이면 a = 0 또는 b = 0 ] 이라는 원리가
     행렬에서는 성립하지 않는다고 배운 것과 똑같지요?



(2) , [악동 4형제] P = A – B, Q = C  되도록 적당한 행렬들을 찾아내면
     쉽게 반례를 만들  있습니다.


P = A – B = [ 1  0 ] 를 만족하는
 [ 0  0 ]


예컨데,   A = [ 1  1 ]  &  B = [ 0  1 ]
                  [ 1  1 ]            [ 1  1 ]

또는

A = [ 2  2 ]  &  B = [ 1  2 ]
      [ 2  2 ]            [ 2  2 ]







 연구해 보고 싶다면, 이번에는 [악동 4형제들의 사촌들  2개이고 나머지가  되는 행렬들로 반례들을 하나씩 만들어 보면 됩니다.


J = [ 1  1 ]
     [ 0  0 ]

K = [ 0  1 ]
      [ 0  1 ]

L = [ 0  0 ]
      [ 1  1 ]

M = [ 1  0 ]
       [ 1  0 ]





특히, 단위행렬과 대칭의 모습인 아래의 행렬은 [일차변환과 행렬단원의 대칭변환 문제에서 자주 등장하니까보다 심도 있는 다양한 연구를 스스로 해보기 바랍니다.


N = [ 0  1 ]
       [ 1  0 ]





               

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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....