수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

(가) 2×2\displaystyle 2\times2 행렬 A\displaystyle AB\displaystyle B에 대하여 행렬의 곱 AB\displaystyle ABBA\displaystyle BA는 일반적으로 같지 않다.

(나) 행렬 C\displaystyle C2×2\displaystyle 2\times2 단위행렬 E\displaystyle E의 상수배가 아니면, CA=AC\displaystyle CA=AC가 성립하는 모든 2×2\displaystyle 2\times2 행렬 A\displaystyle A는 적당한 실수 α,β\displaystyle \alpha,\beta에 대하여 αC+βE\displaystyle \alpha C+\beta E의 꼴로 쓸 수 있다.

(※) 2×2\displaystyle 2\times2 행렬 C\displaystyle C에 대해서 C2+C+E=O\displaystyle C^2+C+E=O가 성립한다고 하자. (단, 여기서 E\displaystyle E는 단위행렬이고 O\displaystyle O는 영행렬이다.)

(1-1) 2×2\displaystyle 2\times2 행렬 A,B\displaystyle A,BAC=CA\displaystyle AC=CABC=CB\displaystyle BC=CB를 만족할 때, 제시문 (나)의 결과를 이용하여 AB=BA\displaystyle AB=BA임을 보이시오. (10점)

(1-2) 행렬 A=CE\displaystyle A=C-E의 역행렬을 적당한 실수 α,β\displaystyle \alpha,\beta에 대하여 αC+βE\displaystyle \alpha C+\beta E로 나타내시오. (15점)

해설강의 준비중
10 · (1-1)

(1-1) 문제의 조건에서 행렬의 원들이 모두 실수이므로 C\displaystyle CE\displaystyle E의 상수배가 될 수 없다. AC=CA\displaystyle AC=CA이고 BC=CB\displaystyle BC=CB이므로 제시문에 의해 적당한 실수 α,β,γ,δ\displaystyle \alpha,\beta,\gamma,\delta에 대하여A=αC+βE, B=γC+δE\displaystyle A=\alpha C+\beta E,\ B=\gamma C+\delta E로 쓸 수 있다. 따라서 A\displaystyle AB\displaystyle B의 곱셈은AB=(αC+βE)(γC+δE)=(γC+δE)(αC+βE)=BA\displaystyle AB=(\alpha C+\beta E)(\gamma C+\delta E)=(\gamma C+\delta E)(\alpha C+\beta E)=BA로 교환된다.

15 · (1-2)

(1-2) 문제의 조건에서 행렬의 원들이 모두 실수이므로 C\displaystyle CE\displaystyle E의 상수배가 될 수 없다. C=A+E\displaystyle C=A+E이므로 O=C2+C+E=A2+3A+3E\displaystyle O=C^2+C+E=A^2+3A+3E이다. 따라서A1=13(A+3E)=13(C+2E)\displaystyle A^{-1}=-\frac13(A+3E)=-\frac13(C+2E)이다.

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