일차방정식(2) 절대값 일차방정식





절대값 일차방정식
linear absolute value equations


"절대값 방정식은 사고력을 키우는데 도움이 되요"
" absolute equations improve
critical thinking skills "







절대값이 포함된 방정식은 기본적으로, 반드시 구간을 나누어 생각해야 하고, 각각의 구간별 풀이는 교집합(∩)과 합집합(∪)의 개념을 논리적으로 정확하게 적용해야 하는 사고력 수학의 전형적인 유형입니다.

특히, 함수 그래프에서 많이 활용이 되는 개념이므로, 반드시 기본개념과 응용력을 철저히 익혀야 합니다.

절대값이 3 개 이상이거나, 절대값이 다중으로 들어가는 심화유형은, 반드시 함수의 그래프를 이용해서 푸는 것이 바람직 합니다. 이 유형들에 대한 설명은 차후에 심화 단계에서 다룰 예정입니다.







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지난 번에 공부한 내용 중에서, 공식으로 정리하고 외워 두기로 한 내용을 복습하도록 할까요?



[ 1 ] 절대값이 하나만 있는 경우


한 변에 절대값만 있는 식, 그리고 다른 한 변에는 숫자만 있는 기본형 절대값 일차방정식 | x | = a ( > 0) 는 간단하게 x = a 또는 – a 라고 풀면 된다고 했지요?




그러면, 이와 관련된 보기 문제를 풀어 보도록 하지요.



아래의 절대값 일차방정식을 풀어라.

| x – 5 | = 3 




(1) 방정식 | x – 5 | = 3 을 풀 때에도 앞에서 배웠던 것과 같이, 절대값 안의 값의 부호가 바뀌는 5 를 기준으로, 2 가지의 경우로 나누어서 푸는 것이 원칙이지만,


(2) 절대값 하나와 숫자만 있는 경우에는, x – 5 = k 라고 치환한다면, | k | = 3 을 푸는 것이니까, 위에서 복습한 내용대로 풀면 아주 간단하고 쉽습니다.


| x – 5 | = | k | = 3

이 때, k = 3  or  – 3

즉, x – 5 = 3  or  – 3

∴  x = 8  or  2





[ 2 ] 절대값이 여러 개인 경우


그러나, 아래와 같이 ① 절대값이 여러 개이거나, ② 숫자 대신에 식이 있는 경우에는, 위에서 설명한 원칙대로 구간을 나누어 풀어야 합니다.


이와 관련된 예제들을 보도록 할까요?


아래의 절대값 일차방정식을 풀어라.

| x – 5 | – | x + 2 | = 3 




(1) 절대값이 두 개인 식이니까, 원칙대로 세 구간으로 나누어 풀어야 하겠지요? 각각의 구간 내에서는 특정조건 아래에서 답을 구하는 것이니까, 서로 교집합 (∩) 이 되지만, 각각의 세 구간끼리는 서로 다른 경우이므로, 합집합 (∪) 이 된다는 점에 유의해야 합니다.



(2) 이해하기 쉽게 논리 다이어그램으로 나타내 볼까요?

      
i)  A 일 때
ii)  B 일 때
iii)  C 일 때
P
Q
R


따라서, 답은 구하는 논리식을 집합으로 나타내면,

(A ∩ P) ∪ (B ∩ Q) ∪ (C ∩ R)




(3) 이제, 실제로 절대값 방정식을 풀어 볼까요?
     나란히 3 단으로 나열해서 푸는 것이 좋습니다.


(A) x < –2일 때
(B) –2≤ x < 5일 때
(C) x ≥ 5일 때
–x+5–(–x–2) = 3
7 = 3 ?
따라서, 모순(Ø)
–x+5–(x+2) = 3
–2x + 3 = 3
따라서, x = 0
x–5–(x+2) = 3
– 7 = 3
따라서,모순(Ø)


(A) 의 경우는 x < – 2 의 조건하에서 (A ∩ P), 모순( Ø ) 이므로,
    이 구간 내에서의 답은 해가 없다 ( Ø )


(B) 의 경우는 – 2 ≤ x < 5 의 조건하에서 (B ∩ Q), x = 0 이므로,
    이 구간 내에서의 답은 x = 0.


(C) 의 경우는 x ≥ 5 의 조건하에서 (C ∩ R), 모순( Ø ) 이므로,
    이 구간 내에서의 답은 해가 없다 ( Ø )



(4) 따라서, [(A)의 경우] 또는 [(B)의 경우] 또는 [(C)의 경우] 를 합하면,
    진짜의 최종 답은 x = 0 이 됩니다.


(A ∩ P) ∪ (B ∩ Q) ∪ (C ∩ R)

Ø ∪ { 0 } ∪ Ø

∴  x = 0






[ 3 ] 숫자 대신에 식이 있는 경우



이번에도 관련 예제를 풀어 볼까요?



아래의 절대값 일차방정식을 풀어라.

| x – 5 | = 3x + 1 




(1) 이 문제는 절대값은 하나지만, 숫자가 아니라 식이 있는 경우이니까, 간편하게 절대값의 성질을 이용해서, x – 5 = 3x + 1  또는  x – 5 = – 3x – 1 로 풀어서는 안됩니다.



(2) 따라서, 원칙대로 구간을 나누어 풀어야 합니다. 절대값 안의 값의 부호가 바뀌는 5 를 기준으로 나누면,


(A) x < 5일 때
(B) 5 ≤ x 일 때
– x + 5 = 3 x + 1
4 x = 4

따라서,  x = 1
x – 5 = 3 x + 1
2 x = – 6
  ∴ x = – 3
따라서, 해가 없다 ( Ø )


(A) 의 경우는 x < 5 의 조건하에서 (A ∩ P), x = 1 이므로,
    이 구간 내에서의 답은 x = 1.


(B) 의 경우는 x ≥ 5 의 조건하에서 (B ∩ Q), x = – 3 이므로,
    이 구간 내에서의 답은 해가 없다 ( Ø ).



(3) 따라서, [(A)의 경우] 또는 [(B)의 경우] 를 합하면, 진짜의 최종 답은 x = 1 이 됩니다.


(A ∩ P) ∪ (B ∩ Q)

{ 1 } ∪ Ø

∴  x = 1





집합(4) 부분집합의 개수




부분집합의 개수
number of subsets


"각 원소마다 포함 또는 배제의 경우로 나누어 생각하면 아주 쉬워요"
" count the outcomes whether each element is
included or excluded "







부분집합의 개수를 구하는 유형은, 고 1 에서의 [집합] 단원 뿐만 아니라, 중고등 수학 전반에서 [경우의 수] 등의 응용문제로 다양하게 출제되고 있습니다.

따라서, 기본적인 개념과 '포함과 배제의 원리' 는 철저하게 이해해 두는 것이 필요합니다.

여기에서는 기본원리 위주로 핵심개념만 설명합니다. 선행이나 심화과정이 아니라면, 중학생은 생략해도 됩니다.








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예를 들어, 집합 A = {4, 5} 의 부분집합은 한 개의 원소를 갖는 {4}, {5} 그리고 자기자신 {4, 5} 그리고 추가로 원소가 하나도 없는 공집합 Ø 도 부분집합으로 정의하는 경우, 총 4 개의 부분집합을 갖게 됩니다. 공집합 Ø 는 {  } 로도 표시하지요.


위 예의 집합 A = {4, 5} 에서 자기자신 {4, 5} 를 제외하고, {4}, {5} 와 공집합 Ø 을 집합A 의 진부분집합이라고 따로 명시합니다.




그러면, 집합 A 의 부분집합의 개수는 어떻게 계산되는 것일까요?


4  ∉
4 ∈
5  ∉
Ø
{4}
5 ∈
{5}
{4, 5}



위의 표에서 보는 것과 같이, 특정 원소 하나가 '포함(∈) 되거나' 또는 '배제(∉) 되거나' 를 구분하는 데에 따르는, 경우의 수를 구하는 방법과 같습니다.



따라서, 만일 원소의 개수가 4 개 라면, 각각의 원소마다 '포함(∈) 되거나' 또는 '배제(∉) 되거나' 의 2 가지 경우의 수를 가지므로, 2 x 2 x 2 x 2 = 24 = 16 개가 됩니다.




위에서 설명한 원리를 가지고, 문자로 일반화시킨 공식을 만들어 볼까요?




원소가n 개인 집합의 부분집합의 개수는, 각각의 원소마다 '포함(∈) 되거나' 또는 '배제(∉) 되거나' 의 2 가지 경우를 갖게 된다. 따라서, 2 가 n 번 곱해지는 것과 같으니까, 2n 개.








이제 약간 응용된 예를 한번 볼까요?




집합 X 가 {3, 4, 5, 6, 7} 의 부분집합이고 {2, 3, 4, 5} ∩ X = {3, 4} 를 만족할 때, 서로 다른 집합 X 의 개수를 구하여라.







(1) 우선, 집합 기호로 주어진 문제의 조건을 잘 이해해야 합니다. 집합 X 가 {3, 4, 5, 6, 7} 의 부분집합이면서, 원소 3, 4 는 포함하고, 원소 5 는 포함하지 않는다는 뜻이지요?


(2) 이제, 각각의 원소마다 경우의 수를 따져보면, 원소 6, 7 은 각각 '포함(∈) 되거나' 또는 '배제(∉) 되거나' 의 경우의 선택이 가능하지만


(3) 원소 3, 4 는 포함되는 경우만 가능하므로 이미 한가지 경우로만 정해져 버렸다는 뜻이 되는 것이고


(4) 원소 5 도 포함하지 않는 경우만 가능하므로 이미 한가지 경우로만 정해져 버렸다는 뜻이 됩니다.


(5) 즉, 원소 6, 7 은 각각 2가지 선택이 가능하지만, 원소 3, 4, 5 의 경우는 이미 한가지 경우로만 정해져 버렸으므로, 부분집합 X 의 개수는 25-3 = 22 = 4 개





다음은 조금 어려운 개념이지만, 상위의 심화수학으로 갈수록 복층식 개념구조를 익혀 둘 필요가 있다는 점에서, 멱집합 (power set) 을 알아 보도록 하지요.



예를 들어, 집합 A = {4, 5} 에 대하여, 집합 A 의 멱집합은 A 의 부분집합들을 원소로 갖는 집합으로, P(A) 또는 2A 으로 표시합니다. 즉, P(A) = {Ø, {4}, {5}, {4, 5}} 또는 {{ }, {4}, {5}, {4, 5}} 라고 나타낼 수 있지요.


위의 집합 A 의 멱집합의 부분집합의 개수는 24 = 16 개가 됩니다. 연습 삼아서, 모두 순서대로 나열해 보도록 할까요? 조금 어렵게 느껴진다면, 멱집합의 원소가 되는 {4, 5} = b 와 같이 치환하면 쉬워집니다.


Ø = {  }

{Ø},   {{4}},   {{5}},   {{4, 5}
}

{Ø, {4}},   {Ø, {5}},   {Ø, {4, 5}
},   {{4}, {5}},
{{4}, {4, 5}},   {{5}, {4, 5}}

{Ø, {4}, {5}},   {Ø, {4}, {4, 5}},   {Ø, {5}, {4, 5}}, {{4}, {5}, {4, 5}}

{{Ø, {4}, {5}, {4, 5}}}




일반화시켜서, 원소가 n 개인 집합의 멱집합의 부분집합의 개수를 알아 볼까요?


원소가 n 개인 집합 B = { b1, b2, … bn} 의 부분집합의 개수는 2n 개 이니까, 멱집합의 원소의 개수도 2n 개 이겠지요?


여기서, 더 쉽게 이해할 수 있도록 2n = k 라고 치환하도록 할까요?

이제, 멱집합의 원소의 개수가 k 개 이니까, 위에서 배웠던 대로, 멱집합의 부분집합의 개수는 2k 개가 됩니다.


따라서, 멱집합의 부분집합의 개수는 2k = (2)^(2n) 개가 됩니다.







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....