수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

[문항 1] 다음 제시문을 근거로 하여 아래 논제에 답하시오.

M(R)={(a1a2a3a4)    a1,a2,a3,a4\displaystyle M(\mathbb R)=\Biggl\{\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix}\;\Biggm|\;a_1,a_2,a_3,a_4는 실수}\displaystyle \Biggr\}이다. 즉, M(R)\displaystyle M(\mathbb R)은 실수를 성분으로 갖는 2×2\displaystyle 2\times2 행렬 전체의 집합이다. 특히, O=(0000)\displaystyle O=\begin{pmatrix}0&0\\0&0\end{pmatrix}을 영행렬이라고 한다.

(가) 행렬 A=(a1a2a3a4)\displaystyle A=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix}B=(b1b2b3b4)\displaystyle B=\begin{pmatrix}b_1&b_2\\b_3&b_4\end{pmatrix}의 곱은 AB=(a1a2a3a4)(b1b2b3b4)=(a1b1+a2b3a1b2+a2b4a3b1+a4b3a3b2+a4b4)\displaystyle AB=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix}\begin{pmatrix}b_1&b_2\\b_3&b_4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}a_1b_1+a_2b_3&a_1b_2+a_2b_4\\a_3b_1+a_4b_3&a_3b_2+a_4b_4\end{pmatrix}로 정의한다.

(나) 행렬 A=(a1a2a3a4)\displaystyle A=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix}의 전치행렬은 At=(a1a3a2a4)\displaystyle A^t=\begin{pmatrix}a_1&a_3\\a_2&a_4\end{pmatrix}로 정의한다.

(다) 행렬 A=(a1a2a3a4)\displaystyle A=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix}의 대각합은 tr(A)=a1+a4\displaystyle \operatorname{tr}(A)=a_1+a_4로 정의한다.

(라) 두 행렬 A\displaystyle AB\displaystyle B의 행렬내적은 A,B=tr(ABt)\displaystyle \langle A,B\rangle=\operatorname{tr}(AB^t)로 정의한다.

(마) 행렬 AM(R)\displaystyle A\in M(\mathbb R)의 크기는 A=(A,A)12\displaystyle \|A\|=(\langle A,A\rangle)^{\frac12}로 정의한다.

(바) M(R)\displaystyle M(\mathbb R)에 속하는 영행렬이 아닌 두 행렬 A\displaystyle AB\displaystyle B의 사잇각 θ\displaystyle \theta (0θπ\displaystyle 0\le\theta\le\pi)는 cosθ=A,BAB\displaystyle \cos\theta=\frac{\langle A,B\rangle}{\|A\|\|B\|}이 되게 정의한다.

1-1. 행렬 AM(R)\displaystyle A\in M(\mathbb R)가 영행렬이 아니면 행렬내적 A,A\displaystyle \langle A,A\rangle는 양의 실수임을 보이시오.(10점)

1-2. 행렬 A=(1111)\displaystyle A=\begin{pmatrix}1&1\\1&1\end{pmatrix}B=(0110)\displaystyle B=\begin{pmatrix}0&-1\\-1&0\end{pmatrix}의 사잇각을 구하시오. (8점)

1-3. A=2\displaystyle \|A\|=2인 행렬 A=(a1a2a3a4)\displaystyle A=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix}의 개수를 구하시오.(단, a1,a2,a3,a4\displaystyle a_1,a_2,a_3,a_4는 정수이다.)(7점)

해설강의 준비중
+10점 · 정의식을 이해하고 적용하기

1-1.A=(a1a2a3a4)\displaystyle A=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix}이면 At=(a1a3a2a4)\displaystyle A^t=\begin{pmatrix}a_1&a_3\\a_2&a_4\end{pmatrix}이므로 AAt=(a12+a22a1a3+a2a4a1a3+a2a4a32+a42)\displaystyle AA^t=\begin{pmatrix}a_1^2+a_2^2&a_1a_3+a_2a_4\\a_1a_3+a_2a_4&a_3^2+a_4^2\end{pmatrix}A,A=tr(AAt)=tr((a12+a22a1a3+a2a4a1a3+a2a4a32+a42))=a12+a22+a32+a42\displaystyle \langle A,A\rangle=\operatorname{tr}(AA^t)=\operatorname{tr}\left(\begin{pmatrix}a_1^2+a_2^2&a_1a_3+a_2a_4\\a_1a_3+a_2a_4&a_3^2+a_4^2\end{pmatrix}\right)=a_1^2+a_2^2+a_3^2+a_4^2이다.

그러므로 AO\displaystyle A\ne O이면 A,A=i=14ai2>0\displaystyle \langle A,A\rangle=\sum_{i=1}^4a_i^2>0이다.

+8점 · 정의식을 이해하고 적용하기

1-2.A,B=tr(ABt)=tr((1111)(0110))=tr((1111))=2\displaystyle \langle A,B\rangle=\operatorname{tr}(AB^t)=\operatorname{tr}\left(\begin{pmatrix}1&1\\1&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0&-1\\-1&0\end{pmatrix}\right)=\operatorname{tr}\left(\begin{pmatrix}-1&-1\\-1&-1\end{pmatrix}\right)=-2이고,A=4=2\displaystyle \|A\|=\sqrt4=2, B=2\displaystyle \|B\|=\sqrt2이므로두 행렬 A\displaystyle AB\displaystyle B의 사잇각을 θ\displaystyle \theta라고 하면 cosθ=A,BAB=222=12\displaystyle \cos\theta=\frac{\langle A,B\rangle}{\|A\|\|B\|}=\frac{-2}{2\sqrt2}=-\frac1{\sqrt2}이다.

그러므로 θ=3π4(rad)\displaystyle \theta=\frac{3\pi}4\,(\mathrm{rad}) (=135\displaystyle =135^\circ)이다.

+7점 · 적합한 경우의 수를 구해내기

1-3.A=2\displaystyle \|A\|=2이면 A2=a12+a22+a32+a42=4\displaystyle \|A\|^2=a_1^2+a_2^2+a_3^2+a_4^2=4이다.이를 만족하는 정수 a1,a2,a3,a4\displaystyle a_1,a_2,a_3,a_4를 찾아보면,a12=a22=a32=a42=1\displaystyle a_1^2=a_2^2=a_3^2=a_4^2=1즉, a1=±1,a2=±1,a3=±1,a4=±1\displaystyle a_1=\pm1,a_2=\pm1,a_3=\pm1,a_4=\pm1인 경우의 수가 24=16\displaystyle 2^4=16가지그리고a12=4\displaystyle a_1^2=4 (a22=a32=a42=0\displaystyle a_2^2=a_3^2=a_4^2=0), a22=4\displaystyle a_2^2=4 (a12=a32=a42=0\displaystyle a_1^2=a_3^2=a_4^2=0),a32=4\displaystyle a_3^2=4 (a12=a22=a42=0\displaystyle a_1^2=a_2^2=a_4^2=0), a42=4\displaystyle a_4^2=4 (a12=a22=a32=0\displaystyle a_1^2=a_2^2=a_3^2=0)인 경우,(a1=±2,a2=a3=a4=0)\displaystyle (a_1=\pm2,a_2=a_3=a_4=0), (a2=±2,a1=a3=a4=0)\displaystyle (a_2=\pm2,a_1=a_3=a_4=0),(a3=±2,a1=a2=a4=0)\displaystyle (a_3=\pm2,a_1=a_2=a_4=0), (a4=±2,a1=a2=a3=0)\displaystyle (a_4=\pm2,a_1=a_2=a_3=0),인 경우 8가지로모두 16+8=24\displaystyle 16+8=24가지 있다.

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