수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

(가) 좌표평면에서 일차변환 f\displaystyle f와 g\displaystyle g를 나타내는 행렬을 각각 A\displaystyle A와 B\displaystyle B라 하자. E\displaystyle E를 2차 단위행렬이라고 할 때, 행렬 A,B\displaystyle A,B는 다음을 만족시킨다.(1) A+B=2E(2) A2+B2=4E\displaystyle (1)\ A+B=2E\qquad(2)\ A^2+B^2=4E

(나) 일차변환 h:(x,y)→(x′,y′)\displaystyle h:(x,y)\to(x',y')을 나타내는 식이 {x′=a11x+a12yy′=a21x+a22y\displaystyle \begin{cases}x'=a_{11}x+a_{12}y\\y'=a_{21}x+a_{22}y\end{cases} (aij\displaystyle a_{ij}는 실수, i,j=1,2\displaystyle i,j=1,2)로 주어졌을 때, 행렬 (a11a12a21a22)\displaystyle \begin{pmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{pmatrix}를 일차변환 h\displaystyle h를 나타내는 행렬이라고 한다.

1. 일차변환 f\displaystyle f가 역변환을 가질 때 행렬 A\displaystyle A와 B\displaystyle B를 구하시오.

2. 일차변환 f\displaystyle f가 점 (1,0)\displaystyle (1,0)을 점 (1,a)\displaystyle (1,a)로 보낼 때 실수 a\displaystyle a가 만족해야 할 조건을 말하고, 그 조건을 충족하는 경우 행렬 A\displaystyle A와 B\displaystyle B의 쌍을 구하시오.

3. 일차변환 f\displaystyle f가 점 (1,0)\displaystyle (1,0)을 점 (2,b)\displaystyle (2,b)로 보낼 때 행렬 A\displaystyle A와 B\displaystyle B의 쌍을 구하시오.

해설강의 준비중

1. 먼저 B=2E−A\displaystyle B=2E-A이므로 AB=A(2E−A)=(2E−A)A=BA\displaystyle AB=A(2E-A)=(2E-A)A=BA이다.AB=BA\displaystyle AB=BA이고 A+B=2E\displaystyle A+B=2E이므로 (A+B)2=A2+B2+2AB=4E\displaystyle (A+B)^2=A^2+B^2+2AB=4E이다.따라서 AB=O\displaystyle AB=O이다. (단, O\displaystyle O는 영행렬)일차변환 f\displaystyle f의 역변환이 존재하면 A−1\displaystyle A^{-1}이 존재하므로 A−1(AB)=(A−1A)B=EB=B\displaystyle A^{-1}(AB)=(A^{-1}A)B=EB=B.즉 B=O\displaystyle B=O. 또한 A+B=2E\displaystyle A+B=2E에서 A=2E\displaystyle A=2E.

2. A2+B2=4E\displaystyle A^2+B^2=4E에 B=2E−A\displaystyle B=2E-A를 대입하여 정리하면 A2−2A=O\displaystyle A^2-2A=O이다.f\displaystyle f는 점 (1,0)\displaystyle (1,0)을 점 (1,a)\displaystyle (1,a)로 보내므로 A=(1xay)\displaystyle A=\begin{pmatrix}1&x\\a&y\end{pmatrix}라 둘 수 있다.A2−2A=(ax−1xy−xay−aax+y2−2y)=(0000)\displaystyle A^2-2A=\begin{pmatrix}ax-1&xy-x\\ay-a&ax+y^2-2y\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&0\\0&0\end{pmatrix}(1,2)성분을 고려할 때 x(y−1)=0\displaystyle x(y-1)=0이므로 x=0\displaystyle x=0 혹은 y=1\displaystyle y=1.그런데 (1,1)성분을 고려할 때 x=0\displaystyle x=0일 수 없으므로 y=1\displaystyle y=1.이때 (2,1)성분에 관한 등식이 성립한다.(2,2)성분을 고려하면 ax−1=0\displaystyle ax-1=0. 따라서 a≠0\displaystyle a\ne0이면 x=1a, y=1\displaystyle x=\frac1a,\ y=1이고 이때A=(11aa1)이고 B=(1−1a−a1)\displaystyle A=\begin{pmatrix}1&\frac1a\\a&1\end{pmatrix}\text{이고 }B=\begin{pmatrix}1&-\frac1a\\-a&1\end{pmatrix}a=0\displaystyle a=0이면 조건을 만족하는 f\displaystyle f와 g\displaystyle g는 존재하지 않는다.

3. f\displaystyle f는 점 (1,0)\displaystyle (1,0)을 점 (2,b)\displaystyle (2,b)로 보내므로 A=(2xby)\displaystyle A=\begin{pmatrix}2&x\\b&y\end{pmatrix}라 둘 수 있다. 문항 2에서와 마찬가지로A2−2A=(bxxybybx+y2−2y)=(0000)\displaystyle A^2-2A=\begin{pmatrix}bx&xy\\by&bx+y^2-2y\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&0\\0&0\end{pmatrix}(1,1)성분을 고려할 때, bx=0\displaystyle bx=0이므로, (2,2)성분으로부터 y2−2y=0\displaystyle y^2-2y=0.그러므로 y=0\displaystyle y=0 혹은 y=2\displaystyle y=2.(i) y=0\displaystyle y=0인 경우 bx=0\displaystyle bx=0이면 A2−A=O\displaystyle A^2-A=O이 성립한다.Correction. 조건 A2−A=O\displaystyle A^2-A=O는 A2−2A=O\displaystyle A^2-2A=O의 오기이다. 직전 계산과 최종 행렬 분류는 계수 2\displaystyle 2를 사용한 조건과 일치한다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.b=0\displaystyle b=0일 때, A=(2x00)\displaystyle A=\begin{pmatrix}2&x\\0&0\end{pmatrix}이고 B=(0−x02)\displaystyle B=\begin{pmatrix}0&-x\\0&2\end{pmatrix} (x\displaystyle x는 임의의 실수).b≠0\displaystyle b\ne0일 때, A=(20b0)\displaystyle A=\begin{pmatrix}2&0\\b&0\end{pmatrix}이고 B=(00−b2)\displaystyle B=\begin{pmatrix}0&0\\-b&2\end{pmatrix}.(ii) y=2\displaystyle y=2인 경우 b=0,x=0\displaystyle b=0,x=0이어야 한다.즉, b=0\displaystyle b=0일 때, A=2E\displaystyle A=2E이고 B=O\displaystyle B=O가 가능하다.(i), (ii)를 b\displaystyle b의 값에 따라 정리하면b=0\displaystyle b=0일 때, A=(2x00)\displaystyle A=\begin{pmatrix}2&x\\0&0\end{pmatrix}이고 B=(0−x02)\displaystyle B=\begin{pmatrix}0&-x\\0&2\end{pmatrix} (x\displaystyle x는 임의의 실수) 혹은 A=2E\displaystyle A=2E이고 B=O\displaystyle B=O.b≠0\displaystyle b\ne0일 때, A=(20b0)\displaystyle A=\begin{pmatrix}2&0\\b&0\end{pmatrix}이고 B=(00−b2)\displaystyle B=\begin{pmatrix}0&0\\-b&2\end{pmatrix}.

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