2. 지적인 성장은 오직 고독 속에서






지적인 성장은 오직 고독속에서
intellectual work demands solitude


"문제가 안풀리더라도
끙끙거린만큼 수학실력이 늘어"








‘ … 지적인 성장은 오직 고독 속에서 이루어진다 … ’ 프랑스 철학적 문학가 사르뜨르의 말입니다.


어느 공부나 마찬가지이겠지만 특히 수학공부는 우리 내면에 잠재되어 있는 이성의 힘을 키우고 활용해야 하기 때문에, 한 단계 도약하기 위하여는 반드시 혼자서 며칠이라도 끙끙거리며 해결하는 과정을 필요로 합니다.


예를 들어, 일주일간 수학 한 문제를 풀기 위해 애를 쓰고 고민을 거듭했다면, 설사 그 문제가 풀리지 않더라도 집중력을 가지고 문제해결을 위해 노력하는 과정에서 이미 수학실력은 일취월장하게 됩니다.


설사 그 문제의 답을 구하지 못했더라도, 그 일주일 동안 해결해 내느라고 노력하는 과정에서 자신이 갖고 있는 수학지식을 아주 효과적으로 복습하고 재정리하는 과정을 갖게 됩니다.


문제를 풀어내려고 애쓰는 일주일간에 관련되었을 것이라고 추정되는 수학 단원들의 이론이나 공식 또는 예제유형들을 얼마나 많이 기억해내고 동원해 내려고 끙끙거렸겠습니까? 세상에 이보다 더 좋은 복습방법은 없을 것입니다.


수학 우등생들은 저마다, 심화수학 몇 문제를 아예 머리 속에 외워 두고는 몇 일 동안이나 풀어내려고 끙끙거리다가, 어느 날 갑자기 마치 기적과도 같이 해결되는 기쁨을 맛보았던 경험을 적어도 한두 번씩은 다들 갖고 있습니다.


어려운 문제를 해결했을 때의 그 기쁨과 환희 그리고 솟아나는 자신감


물론 대부분의 학생들에겐 공부해야 하는 수학의 내용이 너무 많고 절대적으로 시간이 부족한 실정이라 안타깝게도 모든 심화 문제를 이렇게 공부할 수는 없는 노릇이라고 항변할지도 모르겠습니다만,


수학적 개념이 단단해지고 스스로 생각하는 힘이 강해질수록, 수많은 여러 개의 다른 유형으로 보였던 수학문제들이 하나의 개념과 이론만을 갖고서도 풀어낼 수 있는 간단한 유형의 문제로 보이기 시작합니다.


적어도 일주일에 한 두 문제는 이렇게 스스로 혼자만의 힘으로 고민해 보아야, 수학실력과 자신감이 빠르게 좋아집니다. 그리고 수학실력이 한 단계씩 도약하면 할수록 기계적으로 문제만 푸는 식의 낭비하는 시간을 줄일 수 있어 훨씬 효율적으로 공부해 나갈 수 있습니다.


이는 상위권 우등생에게만 해당되는 것이 아닙니다. 설사 남들에게는 쉬운 아주 기본적인 유형의 문제라도, 부족한 나에게는 오히려 좋은 심화문제가 되는 것입니다.


(1) 필수유형이라고 여러 번 강조되거나 (2) 하나의 문제인데도 여러가지의 서로 다른 풀이 방법으로 연구되던 문제들 중에서 추려낸 다음에,


내가 여러 사람 앞에서 설명할 정도로 정확하게 풀어 내지 못하는 문제들이 있다면, 반드시 리스트에 올려서 나 혼자 고민하는 즐거운(?) 시간의 화두로 삼아 보기를 권합니다.



자기 수준에 맞는 좋은 문제로, 스스로 해결해 내느라고 애쓰며 고민하고 해결해 나가는 과정에서, 수학실력과 성취감, 자신감이 쑥쑥 자라나게 될 것입니다.





6. (완전)제곱수





완전제곱수
square numbers


"홀수개의 양의 약수를 가진다면
무조건 제곱수네요"

" perfect square has
odd number of positive factors "







(+) 의 약수의 개수의 개념과 관련된 완전 제곱수 문제는 중고등수학 전반에서직접적인 유도과정을 묻거나 결합된 형태의 유형으로 자주 출제되고 있습니다.

정확한 개념 및 유도 과정과 응용력을 익혀서항상 활용할 수 있도록 기억해 두기 바랍니다.







               

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(완전)제곱수는 어떤 특징을 갖고 있을까요예를 들어122 = 144 를 살펴 보도록 할까요?


144는 제곱수이니까소인수로 분해하면 (22 x 3)2 = 24 x 32 과 같이 지수가 항상 짝수일 수 밖에 없겠지요?


따라서양의 약수의 개수는 (4 + 1) x (2 + 1과 같이 홀수들의 곱이 될테니까전체의 개수는 항상 홀수가 될 수 밖에 없습니다.




반대로음이 아닌 정수 N 의 양의 약수의 개수가 홀수라고 한다면 그 수 N 은 반드시 완전제곱수일 수 밖에 없을까요?


예컨데, (p + 1) x (q + 1) x   과 같이 계산된 결과가 홀수라는 것이지요그런데홀수들만의 곱이 홀수가 되는 것이니까, (p + 1), (q + 1),   들은 모두 홀수일 수 밖에 없습니다.


따라서p, q  와 같은 소인수의 지수들은 짝수일 수 밖에 없습니다.




이제공부한 내용을 문자로 일반화해서 정리해 두도록 할까요?





자연수 N  아래와 같이 소인수 분해되는 경우,
  
N = aα x bβ x  x zω


(1) 양의 약수의 개수가 홀수라고 한다면아래 곱셈의 결과가 홀수라는 뜻이 됩니다.
  
(α + 1) x (β + 1) x  x (ω + 1) = 홀수


(2) 그런데홀수들의 곱만이 항상 홀수가 되므로각각의 (α + 1), (β + 1),  (ω + 1가 모두 홀수가 되겠지요.


(3) 따라서αβ ω 는 모두 짝수입니다이제, α = 2α'β = 2β',    ω = 2ω' 라고 놓으면,
  
N = aα x bβ x  x zω

= a2α' x b2β' x  x z2ω'

= (aα' x bβ' x  x zω')2


(5) 따라서자연수  (완전)제곱수가 됩니다.








이것만 알고 있으면다음과 같은 문제는 아주 쉽게 해결할 수 있습니다.




400 미만의 자연수 중에서 양의 약수의 개수가 홀수인 자연수의 개수를 구하여라.






위에서 공부한 대로홀수개의 약수를 가진 자연수는 (완전)제곱수이니까,

  
12, 22, 32 192

∴  19 







행렬(8) A^3 = O 이고 A ≠ O 인 행렬




A3 = O 이고  O인 행렬
a matrix A ≠ O such that A3 = O


"특수한 행렬의 성질은
그 유도과정까지 아예 외워두는게 좋아"

" it’s better to memorize the specific properties
to be prepared for exams "










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

특히, A3 = O 인 행렬의 성질에 관한 응용 문제들은 [행렬단원의 심화 유형에서 자주 출제되고 있습니다실전 응용력을 키우기 위하여는그 결과만이 아니라 유도 및 증명과정을 완벽하게 이해하고기억해 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.






               






우선 행렬의 판별식 (또는 행렬식’ 이라고  대해서 복습해 보도록 할까요?



정사각행렬 A = [ a  b 대하여실수값인 ad – bc  판별식 (또는 행렬식이라 합니다.
                     [ c  d ]

D = det(A) = | A | = ad  bc



(1) 여기서, D = ad – bc = 0  되는 행렬 A   역행렬이 존재하지 않고,
  

(2) D = ad – bc ≠ 0   역행렬 A-1  아래와 같습니다.

A-1 =  1/D [ d  b ]
               [ b  a ]



또한정사각행렬의 곱에 대한 판별식은 각각의 행렬에 대한 판별식의 곱과 같습니다.

det(AB) = det(A) × det(B)






그러면 이제, (1) A3 = O 이고 (2) A ≠ O   조건을 동시에 만족하는 행렬 A  성질 관해서 공부하도록 합니다.




[ 1 ] A3 = O 이고 A ≠ O  행렬  역행렬이 존재하지 않는다왜냐하면 :


(1)  행렬이 같으면  판별식도 서로 같으므로주어진 조건식에서,

A3 = O

   det(A3) = det(O)



(2)  식의 좌변에서행렬의 곱에 대한 판별식의 성질을 이용하면,

det(A3) = {det(A)}3

   det(A3) = {det(A)}3 = det(O) = 0



(3) 그런데, det(A)  실수 값이므로, det(A) = 0. 행렬  역행렬은 존재하지 않는다.







이번에는 다른 방법인 [귀류법] 혹은 [명제의 대우]  이용한 증명을 살펴 볼까요?



(1) 만일행렬  역행렬이 존재한다고 가정하고조건식 A3 = O  양변에 역행렬을
     곱해 주면,
  
A3 × (A-1)3 = O × (A-1)3

   E = O



(2) 이는 모순이므로원래의 명제인 [A3 = O  행렬  역행렬이 존재하지 않는다
     참이 됩니다.






[ 2 ] 역행렬이 존재하지 않는다면A3 = (a + d)2 성립한다.



(1) 역행렬이 존재하지 않으면판별식 D = det(A) = ad  bc = 0  된다는 것을 앞에서
     복습했지요?



(2) 따라서앞에서 배운 [케일리-헤밀턴 정리에서,
  

A2 – (a d)A + (ad  bc)E

= A2 – (a d)A = O


   A3 = A2 x A                 

= (a + d)A x A

= (a + d)A2     

= (a + d)2A    





[ 3 ] 따라서, A2 = A3  = An = O  된다.


(1) 위의 식에 대입하면주어진 조건에서,
  
A3 = (a d)2A = O

   a d = 0   or   A = O    




(2) 따라서, A ≠ O 이라 하더라도 a d = 0  되므로,
  
A2 = (a d)A = 0 x A = O




(3) 뿐만 아니라, A ≠ O 이라 하더라도 An = O (n ≥ 2).

An = An-2 x A2

An = An-2 x (a d)A

An = An-3 x (a d)A2

An = An-3 x (a d)2A


An = (a d) n-1A

   An = 0 x A = O






그러면 하나의 공식으로 정리해 둘까요?

실전 응용력을 키우기 위하여는  결과만이 아니라 유도  증명 과정까지를 완벽하게
이해하고기억해 두기 바랍니다.



An = O (n ≥ 2) 이고 A ≠ O  행렬  대하여,

(1) A  역행렬은 존재하지 않는다

(2) An = (a d)n-1A                   
  
 (3) a d = 0                              
  
(4)    An = O (n ≥ 2)                








이와 관련된 보기 문제를 하나 풀어 볼까요?



 A5 = O 이고 A ≠ O  2 x 2 정사각행렬  대하여, A2 = O  진위 여부를 주관식
 서술형으로 판별하여라. 




(1) 위에서 공부했던 대로행렬  역행렬이 존재하지 않으므로,
     [케일리-헤밀턴 정리 이용하면,

ad – bc = 0

   A2 = (a d)A



(2)  결과를 주어진 식에 대입하여 정리하면,

A5 = (a d)4A = O

   a d = 0

   A2 = (a d)A = 0 x A = O






               

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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....