수리논술, 이게 다다.

의예과 2번

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문제

<문제 2> 다음 제시문을 활용하여 물음에 답하시오.

집합 S={(x−yyx):x,y는 실수}\displaystyle S=\left\{\begin{pmatrix}x&-y\\y&x\end{pmatrix}:x,y\text{는 실수}\right\}에서 복소수들의 집합 C\displaystyle C로 가는 함수 f\displaystyle f를 다음과 같이 정의하자.f(x−yyx)=x+iy(단, i2=−1)\displaystyle f\left(\begin{matrix}x&-y\\y&x\end{matrix}\right)=x+iy\quad(\text{단, }i^2=-1)

(1) 함수 f\displaystyle f가 임의의 두 원소 A,B∈S\displaystyle A,B\in S에 대해f(A+B)=f(A)+f(B)f(AB)=f(A)f(B)\displaystyle \begin{gathered}f(A+B)=f(A)+f(B)\\f(AB)=f(A)f(B)\end{gathered}를 만족하는 일대일 대응임을 보이시오. 또한, 이 결과를 사용하여 복소수들의 집합에서 정의된 곱셈에 대해 결합법칙이 성립함을 보이시오.

(2) 집합 S1={A∈S:∣A∣=1}\displaystyle S^1=\{A\in S:|A|=1\}이 행렬의 곱에 닫혀 있음을 보이시오. S\displaystyle S의 각각의 원소들은 S1\displaystyle S^1의 어떤 한 원소의 상수곱으로 나타남을 보이시오 (∣A∣\displaystyle |A|는 A\displaystyle A의 행렬식을 의미한다).

해설강의 준비중

(1) 우선 행렬 A=(a1−a2a2a1), B=(b1−b2b2b1)∈S\displaystyle A=\begin{pmatrix}a_1&-a_2\\a_2&a_1\end{pmatrix},\ B=\begin{pmatrix}b_1&-b_2\\b_2&b_1\end{pmatrix}\in S에 대해A+B=(a1+b1−a2−b2a2+b2a1+b1),AB=(a1b1−a2b2−a1b2−a2b1a1b2+a2b1a1b1−a2b2)\displaystyle A+B=\begin{pmatrix}a_1+b_1&-a_2-b_2\\a_2+b_2&a_1+b_1\end{pmatrix},\quad AB=\begin{pmatrix}a_1b_1-a_2b_2&-a_1b_2-a_2b_1\\a_1b_2+a_2b_1&a_1b_1-a_2b_2\end{pmatrix}로 집합 S\displaystyle S의 원소이다. 이때f(A+B)=f(a1+b1−a2−b2a2+b2a1+b1)=a1+b1+i(a2+b2)=a1+ia2+b1+ib2=f(A)+f(B)\displaystyle f(A+B)=f\begin{pmatrix}a_1+b_1&-a_2-b_2\\a_2+b_2&a_1+b_1\end{pmatrix}=a_1+b_1+i(a_2+b_2)=a_1+ia_2+b_1+ib_2=f(A)+f(B)이고,f(AB)=f(a1b1−a2b2−a1b2−a2b1a1b2+a2b1a1b1−a2b2)=a1b1−a2b2+i(a1b2+a2b1)=(a1+ia2)(b1+ib2)=f(A)f(B).\displaystyle f(AB)=f\begin{pmatrix}a_1b_1-a_2b_2&-a_1b_2-a_2b_1\\a_1b_2+a_2b_1&a_1b_1-a_2b_2\end{pmatrix}=a_1b_1-a_2b_2+i(a_1b_2+a_2b_1)=(a_1+ia_2)(b_1+ib_2)=f(A)f(B).

만약 f(A)=a1+ia2=b1+ib2=f(B)\displaystyle f(A)=a_1+ia_2=b_1+ib_2=f(B)라면, a1=b1\displaystyle a_1=b_1이고 a2=b2\displaystyle a_2=b_2이다. 즉, A=B\displaystyle A=B. 따라서 함수 f\displaystyle f는 1-1 함수이다. 또한, 임의의 복소수 x+iy\displaystyle x+iy에 대해f(x−yyx)=x+iy.\displaystyle f\left(\begin{matrix}x&-y\\y&x\end{matrix}\right)=x+iy.따라서 함수 f\displaystyle f는 S\displaystyle S에서 C\displaystyle C위로의 함수이다. 결국, 함수 f\displaystyle f는 S\displaystyle S에서 C\displaystyle C로의 일대일 대응이다.

임의의 세 복소수 z1,z2,z3\displaystyle z_1,z_2,z_3에 대해 f(A)=z1, f(B)=z2, f(C)=z3\displaystyle f(A)=z_1,\ f(B)=z_2,\ f(C)=z_3인 집합 S\displaystyle S의 행렬 A,B,C\displaystyle A,B,C가 존재한다.따라서(z1z2)z3=(f(A)f(B))f(C)=f(AB)f(C)=f((AB)C)=f(A(BC))=f(A)f(BC)=f(A)(f(B)f(C))=z1(z2z3).\displaystyle \begin{aligned}(z_1z_2)z_3&=(f(A)f(B))f(C)=f(AB)f(C)\\&=f((AB)C)=f(A(BC))=f(A)f(BC)=f(A)(f(B)f(C))=z_1(z_2z_3).\end{aligned}

(2) 집합 S1\displaystyle S^1의 두 원소 A=(a1−a2a2a1), B=(b1−b2b2b1)\displaystyle A=\begin{pmatrix}a_1&-a_2\\a_2&a_1\end{pmatrix},\ B=\begin{pmatrix}b_1&-b_2\\b_2&b_1\end{pmatrix}에 대해∣AB∣=(a1b1−a2b2)2+(a1b2+a2b1)2=a12b12+a22b22+a12b22+a22b12=(a12+a22)(b12+b22)=∣A∣∣B∣=1\displaystyle |AB|=(a_1b_1-a_2b_2)^2+(a_1b_2+a_2b_1)^2=a_1^2b_1^2+a_2^2b_2^2+a_1^2b_2^2+a_2^2b_1^2=(a_1^2+a_2^2)(b_1^2+b_2^2)=|A||B|=1이므로 S1\displaystyle S^1은 행렬의 곱에 대해 닫혀있다. 마지막으로 임의의 행렬 (x−yyx)∈S\displaystyle \begin{pmatrix}x&-y\\y&x\end{pmatrix}\in S에 대해, 만약 x=y=0\displaystyle x=y=0이면(x−yyx)=(0000)=0×(1001)\displaystyle \begin{pmatrix}x&-y\\y&x\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&0\\0&0\end{pmatrix}=0\times\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}으로, 만약 x,y\displaystyle x,y중 적어도 하나는 0이 아니라면(x−yyx)=1x2+y2(xx2+y2−yx2+y2yx2+y2xx2+y2)\displaystyle \begin{pmatrix}x&-y\\y&x\end{pmatrix}=\frac1{\sqrt{x^2+y^2}}\begin{pmatrix}\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}&\frac{-y}{\sqrt{x^2+y^2}}\\\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}&\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\end{pmatrix}Correction. 행렬 앞의 계수 1/x2+y2\displaystyle 1/\sqrt{x^2+y^2}는 x2+y2\displaystyle \sqrt{x^2+y^2}의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.로 나타낼 수 있다. 이 때 행렬(1001)과 (xx2+y2−yx2+y2yx2+y2xx2+y2)\displaystyle \begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}\text{과 }\begin{pmatrix}\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}&\frac{-y}{\sqrt{x^2+y^2}}\\\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}&\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\end{pmatrix}은 S1\displaystyle S^1의 원소이다.

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