수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1번] 다음 제시문 <가>~<다>를 읽고 물음에 답하시오. (50점)

<가> 계수가 실수인 두 다항식 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)에 대하여f(x)=q(x)g(x)+r(x)\displaystyle f(x)=q(x)g(x)+r(x)인 계수가 실수인 다항식 q(x),r(x)\displaystyle q(x),r(x)가 존재한다. 단, r(x)=0\displaystyle r(x)=0이거나 r(x)\displaystyle r(x)의 차수는 g(x)\displaystyle g(x)의 차수보다 낮다. 이 때, r(x)=0\displaystyle r(x)=0이면 g(x)\displaystyle g(x)는 f(x)\displaystyle f(x)의 약수라고 부르고, f(x)\displaystyle f(x)는 g(x)\displaystyle g(x)의 배수라고 부른다.

<나> 계수가 실수인 다항식 f(x)=anxn+⋯+a1x+a0\displaystyle f(x)=a_nx^n+\cdots+a_1x+a_0과 행렬 A=(abcd)\displaystyle A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}와 E=(1001)\displaystyle E=\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}에 대하여, 행렬anAn+⋯+a1A+a0E\displaystyle a_nA^n+\cdots+a_1A+a_0E를 f(A)\displaystyle f(A)라고 쓰자.

<다> 행렬 A=(abcd)\displaystyle A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}에 대하여 A2−(a+d)A+(ad−bc)E=O\displaystyle A^2-(a+d)A+(ad-bc)E=O이 성립한다.단, E=(1001), O=(0000)\displaystyle E=\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix},\ O=\begin{pmatrix}0&0\\0&0\end{pmatrix}.

1. 제시문 <다>를 이용하여, 행렬 A=(abcd)\displaystyle A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}의 역행렬이 존재하기 위한 필요충분조건은 ad−bc≠0\displaystyle ad-bc\ne0임을 보이시오.

2. (1) 행렬 A=(abcd)\displaystyle A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}와 역행렬이 존재하는 행렬 P\displaystyle P에 대하여 P−1AP=(2003)\displaystyle P^{-1}AP=\begin{pmatrix}2&0\\0&3\end{pmatrix}이 성립한다. A2+kA+lE=O\displaystyle A^2+kA+lE=O일 때, k\displaystyle k와 l\displaystyle l을 구하시오.(2) 행렬 A=(2bc2)\displaystyle A=\begin{pmatrix}2&b\\c&2\end{pmatrix}에 대하여 A2+kA−6E=O\displaystyle A^2+kA-6E=O이 성립할 때, k\displaystyle k를 구하시오.

3. O\displaystyle O이 아닌 행렬 A=(abcd)\displaystyle A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}와 계수가 실수인 다항식 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 f(A)=O\displaystyle f(A)=O이 성립할 때, 다항식 g(x)=x2−(a+d)x+ad−bc\displaystyle g(x)=x^2-(a+d)x+ad-bc가 어떤 조건에서 f(x)\displaystyle f(x)의 약수가 되는지 설명하시오.

해설강의 준비중

문항 1) 제시문 <다>에 의해, A2−(a+d)A+(ad−bc)E=O\displaystyle A^2-(a+d)A+(ad-bc)E=O. 이 식을 변형하면−(ad−bc)E=A2−(a+d)A=(A−(a+d)E)A\displaystyle -(ad-bc)E=A^2-(a+d)A=(A-(a+d)E)A이 된다. 만약 ad−bc≠0\displaystyle ad-bc\ne0이면,E=−1ad−bc(A−(a+d)E)A\displaystyle E=-\frac1{ad-bc}(A-(a+d)E)A이므로 A\displaystyle A의 역행렬 A−1\displaystyle A^{-1}이 존재하고A−1=−1ad−bc(A−(a+d)E)\displaystyle A^{-1}=-\frac1{ad-bc}(A-(a+d)E)임을 알 수 있다.

반대로 A\displaystyle A가 가역행렬인데 ad−bc=0\displaystyle ad-bc=0이라 가정하자. 이 경우 A2=(a+d)A\displaystyle A^2=(a+d)A이고, A\displaystyle A가 가역행렬이므로A=(a+d)E\displaystyle A=(a+d)E가 성립한다. 즉,(abcd)=(a+d00a+d)\displaystyle \begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}a+d&0\\0&a+d\end{pmatrix}.결국 a=b=c=d=0\displaystyle a=b=c=d=0임을 알 수 있고, A=O\displaystyle A=O이 되어 가역행렬이라는 조건에 모순이다.

문항 2-1) P−1AP=(2003)\displaystyle P^{-1}AP=\begin{pmatrix}2&0\\0&3\end{pmatrix}에서 A=P(2003)P−1\displaystyle A=P\begin{pmatrix}2&0\\0&3\end{pmatrix}P^{-1}이고A2=P(2003)P−1P(2003)P−1=P(2003)2P−1=P(4009)P−1\displaystyle A^2=P\begin{pmatrix}2&0\\0&3\end{pmatrix}P^{-1}P\begin{pmatrix}2&0\\0&3\end{pmatrix}P^{-1}=P\begin{pmatrix}2&0\\0&3\end{pmatrix}^2P^{-1}=P\begin{pmatrix}4&0\\0&9\end{pmatrix}P^{-1}.따라서O=A2+kA+lE=P(4009)P−1+kP(2003)P−1+lP(1001)P−1=P(4+2k+l009+3k+l)P−1\displaystyle \begin{aligned}O=A^2+kA+lE&=P\begin{pmatrix}4&0\\0&9\end{pmatrix}P^{-1}+kP\begin{pmatrix}2&0\\0&3\end{pmatrix}P^{-1}+lP\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}P^{-1}\\&=P\begin{pmatrix}4+2k+l&0\\0&9+3k+l\end{pmatrix}P^{-1}\end{aligned}결국 4+2k+l=9+3k+l=0\displaystyle 4+2k+l=9+3k+l=0이므로 k=−5\displaystyle k=-5이고 l=6\displaystyle l=6이다.

문항 2-2) 제시문 (다)와 문제의 조건으로부터A2+kA−6E=O\displaystyle A^2+kA-6E=O이고 A2−4A+(4−bc)E=O\displaystyle A^2-4A+(4-bc)E=O.따라서 앞의 식에서 뒤의 식을 빼면(k+4)A+(bc−10)E=O\displaystyle (k+4)A+(bc-10)E=O이고(k+4)(2bc2)=(10−bc0010−bc)\displaystyle (k+4)\begin{pmatrix}2&b\\c&2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}10-bc&0\\0&10-bc\end{pmatrix}이다. 따라서 k=−4\displaystyle k=-4이거나 b=c=0\displaystyle b=c=0임을 알 수 있다. 한편 b=c=0\displaystyle b=c=0일 때, 2(k+4)=10\displaystyle 2(k+4)=10이므로 k=1\displaystyle k=1이다.

문항 3) 행렬 A\displaystyle A에 대하여 f(A)=O\displaystyle f(A)=O인 일차식 f(x)=px+q\displaystyle f(x)=px+q가 있다고 하면pA+qE=O\displaystyle pA+qE=O을 만족하고 A\displaystyle A는 단위행렬 E\displaystyle E의 실수배임을 알 수 있다. 따라서 이 경우 g(x)\displaystyle g(x)는 f(x)\displaystyle f(x)의 약수가 아니다.

행렬 A\displaystyle A가 단위행렬 E\displaystyle E의 실수배가 아니라면, 즉 A≠kE\displaystyle A\ne kE (k\displaystyle k는 실수) 라면, f(A)=O\displaystyle f(A)=O인 일차식 f(x)\displaystyle f(x)는 존재하지 않는다. 따라서 f(A)=O\displaystyle f(A)=O인 다항식 f(x)\displaystyle f(x)는 2차이상이다. 제시문 (가)에 의해f(x)=Q(x)g(x)+r(x)\displaystyle f(x)=Q(x)g(x)+r(x)인 계수가 실수인 다항식 Q(x),r(x)\displaystyle Q(x),r(x)가 존재한다. 만약 r(x)=0\displaystyle r(x)=0이 아니라면, r(x)\displaystyle r(x)는 일차식이고,r(A)=f(A)−Q(A)g(A)=O−Q(A)O=O\displaystyle r(A)=f(A)-Q(A)g(A)=O-Q(A)O=O이 되어 f(A)=O\displaystyle f(A)=O인 일차식 f(x)\displaystyle f(x)는 존재하지 않는다는 사실에 모순이다. 따라서행렬 A\displaystyle A가 단위행렬 E\displaystyle E의 실수배가 아니면 g(x)\displaystyle g(x)는 f(x)\displaystyle f(x)의 약수이다.

다음 경우는 0점 처리됩니다.1) 답안지를 검정색 펜(볼펜, 연필, 샤프)으로 작성하지 않은 경우2) 자신의 신원을 드러내는 표기나 표현을 한 경우3) 답안을 해당 답란에 작성하지 않은 경우

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