수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문 <가>~<다>를 읽고 물음에 답하시오.

다음은 이차정사각행렬의 집합 L={(10k1)∣k는 실수}\displaystyle L = \left\{ \left. {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ k & 1\end{pmatrix}} \right| k\text{는 실수} \right\}에 대한 성질을 나열한 것이다.

<가> A∈L\displaystyle A \in L이면, A−1∈L\displaystyle A^{- 1} \in L이다.

<나> A,B∈L\displaystyle A , B \in L이면, AB=BA\displaystyle AB = BA이다.

<다> A,B∈L\displaystyle A , B \in L이면, (A−B)2=O\displaystyle \left( A - B \right)^{2} = O이다. (단, O\displaystyle O는 영행렬)

1-1. A∈L\displaystyle A \in L이면, B2=A\displaystyle B^{2} = A인 B\displaystyle B가 집합 L\displaystyle L의 원소임을 보이시오. [5점]

1-2. A=(1021)\displaystyle A = {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ 2 & 1\end{pmatrix}}, B=(1031)\displaystyle B = {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ 3 & 1\end{pmatrix}}, C=(1234)\displaystyle C = {\begin{pmatrix}1 & 2 \\ 3 & 4\end{pmatrix}}일 때, 다음을 만족하는 이차정사각행렬 X,Y\displaystyle X , Y를 구하시오. [10점]AX+BY=C\displaystyle AX + BY = C, BX−AY=O\displaystyle BX - AY = O

1-3. 임의의 A∈L\displaystyle A \in L에 대하여, 행렬 방정식 X2−AX−XA−E=O\displaystyle X^{2} - AX - XA - E = O이 적어도 2개의 실행렬 X\displaystyle X를 해로가짐을 보이시오. (단, E\displaystyle E는 단위행렬이며, 실행렬은 성분이 실수인 행렬을 의미함) [15점]

해설강의 준비중
5점 · 1-1

1-1[풀이]임의의 실수 k\displaystyle k에 대하여 B=(10k/21)\displaystyle B = {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ k / 2 & 1\end{pmatrix}}라 하면, B∈L\displaystyle B \in L이고B2=(10k/21)(10k/21)=(10k1)\displaystyle B^{2} = {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ k / 2 & 1\end{pmatrix}} {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ k / 2 & 1\end{pmatrix}} = {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ k & 1\end{pmatrix}}이다.따라서 임의의 A=(10k1)∈L\displaystyle A = {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ k & 1\end{pmatrix}} \in L에 대하여, A=B2\displaystyle A = B^{2}인 B∈L\displaystyle B \in L가 존재한다.

5점 · 1-2

1-2[풀이]각각의 행렬 방정식의 양변에 B\displaystyle B와 A\displaystyle A를 곱하면,BAX+B2Y=BC\displaystyle BAX + B^{2} Y = BCABX−A2Y=O\displaystyle ABX - A^{2} Y = O첫째 식에서 둘째 식을 빼면, A,B∈L\displaystyle A , B \in L이므로 제시문 <나>에 의해(B2+A2)Y=BC\displaystyle \left( B^{2} + A^{2} \right) Y = BC

10점 · 1-2

한편, 제시문 <다>에 의해 (A−B)2=O\displaystyle \left( A - B \right)^{2} = O이므로 A2+B2=2AB\displaystyle A^{2} + B^{2} = 2 AB. 따라서2BAY=BC\displaystyle 2 BAY = BC제시문 <가>에 의해,Y=12A−1C=12(10−21)(1234)=12(1210)\displaystyle Y = \frac{{1}}{2} A^{- 1} C = \frac{{1}}{2} {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ - 2 & 1\end{pmatrix}} {\begin{pmatrix}1 & 2 \\ 3 & 4\end{pmatrix}} = \frac{{1}}{2} {\begin{pmatrix}1 & 2 \\ 1 & 0\end{pmatrix}}마찬가지로,X=12B−1C=12(10−31)(1234)=12(120−2)\displaystyle X = \frac{{1}}{2} B^{- 1} C = \frac{{1}}{2} {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ - 3 & 1\end{pmatrix}} {\begin{pmatrix}1 & 2 \\ 3 & 4\end{pmatrix}} = \frac{{1}}{2} {\begin{pmatrix}1 & 2 \\ 0 & - 2\end{pmatrix}}.

5점 · 1-3

1-3[풀이]임의의 실수 k\displaystyle k에 대하여 A=(10k1)\displaystyle A = {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ k & 1\end{pmatrix}}라 하자.X2−AX−XA−E=X2−AX−XA+A2−A2−E\displaystyle X^{2} - AX - XA - E = X^{2} - AX - XA + A^{2} - A^{2} - E

10점 · 1-3

제시문 <나>, <다>에 의해 (A−E)2=O\displaystyle \left( A - E \right)^{2} = O이므로, A2+E=2A\displaystyle A^{2} + E = 2 A이다. 따라서X2−AX−XA−E=(X−A)2−2A=O\displaystyle X^{2} - AX - XA - E = \left( X - A \right)^{2} - 2 A = O

15점 · 1-3

그러므로 (X−A)2=2A\displaystyle \left( X - A \right)^{2} = 2 A. 한편 문제 1-1에 의해서, B=(10k/21)\displaystyle B = {\begin{pmatrix}1 & 0 \\ k / 2 & 1\end{pmatrix}}라 놓으면,X=A±2B\displaystyle X = A \pm \sqrt{2} B 또는 X=(1±20(1±2/2)k1±2)\displaystyle X = {\begin{pmatrix}1 \pm \sqrt{2} & 0 \\ \left( 1 \pm \sqrt{2} / 2 \right) k & 1 \pm \sqrt{2}\end{pmatrix}}

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