수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

(문제) 일차변환 f\displaystyle f를 나타내는 행렬 A\displaystyle A가 다음과 같다.

A=(5723)\displaystyle A=\begin{pmatrix}5&7\\2&3\end{pmatrix}.

(1) 세 점 P=(0,0),Q=(1,0),R=(0,1)\displaystyle P=(0,0),Q=(1,0),R=(0,1)이라고 할 때 두 삼각형의 면적의 비율

△f(P)f(Q)f(R)의 면적△PQR의 면적\displaystyle \frac{\triangle f(P)f(Q)f(R)\text{의 면적}}{\triangle PQR\text{의 면적}}

을 구하시오.

(2) A\displaystyle A의 역행렬 A−1\displaystyle A^{-1}를 구하시오.

(3) 집합 L\displaystyle L은 다음과 같다.

L={(u,v)∣u=5a+7b, v=2a+3b, a,b는 정수}\displaystyle L=\{(u,v)\mid u=5a+7b,\ v=2a+3b,\ a,b\text{는 정수}\}.

AA−1=I\displaystyle AA^{-1}=I임을 이용하여 원점을 제외한 L\displaystyle L의 원소 중 원점과 거리가 가장 가까운 점을 하나 찾고 그 때의 a,b\displaystyle a,b값을 구하시오. (I\displaystyle I는 단위 행렬)

행렬 A로 변환된 점 f(P), f(Q), f(R)
해설강의 준비중

(1) 행렬식 D=5⋅3−7⋅2=1\displaystyle D=5\cdot3-7\cdot2=1이므로 A\displaystyle A에 의한 일차변환으로 면적의 변화율은 1이다. 실제로 그림에 있는 삼각형 △f(P)f(Q)f(R)\displaystyle \triangle f(P)f(Q)f(R)의 넓이를 구하여 보면 넓이가 1/2\displaystyle 1/2이고 △PQR\displaystyle \triangle PQR의 넓이도 1/2\displaystyle 1/2이므로 비율은 1이다.

(2) 역행렬의 공식에 의해

A−1=(3−7−25)\displaystyle A^{-1}=\begin{pmatrix}3&-7\\-2&5\end{pmatrix}.

(3) AA−1=I\displaystyle AA^{-1}=I으로부터 A\displaystyle A의 열벡터

3(52)+(−2)(73)=(10)\displaystyle 3\begin{pmatrix}5\\2\end{pmatrix}+(-2)\begin{pmatrix}7\\3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}

임을 알 수 있다. 같은 이유로

−7(52)+5(73)=(01)\displaystyle -7\begin{pmatrix}5\\2\end{pmatrix}+5\begin{pmatrix}7\\3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix}

임을 알 수 있다. 그러므로 가장 가까운 점은 네 점 (1,0),(−1,0),(0,1),(0,−1)\displaystyle (1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)이다. (1,0)\displaystyle (1,0)에 대한 a,b\displaystyle a,b는 3,−2\displaystyle 3,-2이고 (−1,0)\displaystyle (-1,0)에 대한 a,b\displaystyle a,b는 −3,2\displaystyle -3,2이다. (0,1)\displaystyle (0,1)에 대한 a,b\displaystyle a,b는 −7,5\displaystyle -7,5이고 (0,−1)\displaystyle (0,-1)에 대한 a,b\displaystyle a,b는 7,−5\displaystyle 7,-5이다.

힌트

1. (1)을 대답 못한 경우 : X=(5,0),Y=(7,0)\displaystyle X=(5,0),Y=(7,0)이라고 하면 △f(P)f(Q)f(R)\displaystyle \triangle f(P)f(Q)f(R)의 면적을 △f(P)f(R)Y\displaystyle \triangle f(P)f(R)Y의 면적, △f(P)f(Q)X\displaystyle \triangle f(P)f(Q)X의 면적을 이용하여 계산하시오.

2. (2)를 대답 못한 경우 : (1,0)\displaystyle (1,0)가 L\displaystyle L의 원소임을 알려주고 (1,0)\displaystyle (1,0)에 대한 a,b\displaystyle a,b를 물어본다.

A : (3)까지 정확하게 대답하고 이유를 설명한 경우

B : 힌트 2를 듣고 (3)을 대답한 경우

C : 힌트 1 없이 (2)까지 대답한 경우

D : 힌트 1을 들은 후 (1)번 까지만 대답한 경우

E : 대답 못한 경우

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