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문제

1. (70점) 모든 성분이 실수인 이차정사각행렬 [abcd]\displaystyle \begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}에 대하여

det⁡[abcd]=ad−bc,\displaystyle \det\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}=ad-bc,

tr[abcd]=a+d\displaystyle tr\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}=a+d

이다.

(1) det⁡A=1\displaystyle \det A=1이고 모든 성분이 실수인 이차정사각행렬 A\displaystyle A에 대하여 An=[1001]\displaystyle A^n=\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}을 만족시키는 적당한 자연수 n\displaystyle n이 존재한다.

(a) −2≤trA≤2\displaystyle -2\le trA\le2임을 보이시오.

(b) trA=2\displaystyle trA=2이면 A=[1001]\displaystyle A=\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}임을 보이시오.

(2) 이차정사각행렬 A=[cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ]\displaystyle A=\begin{bmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{bmatrix} (θ\displaystyle \theta는 sin⁡θ≠0\displaystyle \sin\theta\ne0인 어떤 실수)에 대하여

B5=[1001],\displaystyle B^5=\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix},

(ABA−1B−1)5=[1001]\displaystyle (ABA^{-1}B^{-1})^5=\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}

을 만족시키고 모든 성분이 실수인 이차정사각행렬 B\displaystyle B를 모두 구하시오.

해설강의 준비중

E=[1001]\displaystyle E=\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}라고 하자.

(1)-(a)

trA=α\displaystyle trA=\alpha라고 하자. 등식 A2=αA−E\displaystyle A^2=\alpha A-E 이 성립하므로

Ak+1=αAk−Ak−1(k≥1,A0=E)\displaystyle A^{k+1}=\alpha A^k-A^{k-1}(k\ge1,A^0=E)

이다. ak=tr(Ak)(k=0,1,2,⋯ )\displaystyle a_k=tr(A^k)(k=0,1,2,\cdots)가 ak+1=αak−ak−1(k=1,2,⋯ )\displaystyle a_{k+1}=\alpha a_k-a_{k-1}(k=1,2,\cdots) --- ① 을 만족시킨다.

경우 1. α>2\displaystyle \alpha>2 라고 가정하자.

식 ①에 의해 a2−a1=(α−1)a1−a0=(α−1)α−2>(2−1)2−2=0\displaystyle a_2-a_1=(\alpha-1)a_1-a_0=(\alpha-1)\alpha-2>(2-1)2-2=0

이므로 a2>a1\displaystyle a_2>a_1이고 ak>ak−1>⋯>a1\displaystyle a_k>a_{k-1}>\cdots>a_1라고 가정하면 역시 ①에 의해

ak+1−ak=(α−1)ak−ak−1>(2−1)ak−ak−1>0\displaystyle a_{k+1}-a_k=(\alpha-1)a_k-a_{k-1}>(2-1)a_k-a_{k-1}>0

이므로 ak+1>ak\displaystyle a_{k+1}>a_k이므로 모든 자연수 k\displaystyle k에 대해 ak+1>ak\displaystyle a_{k+1}>a_k이고 따라서 모든 자연수 k\displaystyle k에 대해 ak>2\displaystyle a_k>2이다. 그러나 자연수 n\displaystyle n에 대해 An=E\displaystyle A^n=E이므로 an=tr(An)=trE=2\displaystyle a_n=tr(A^n)=trE=2이다.

이는 모순이므로 α≤2\displaystyle \alpha\le2이다.

경우 2. α<−2\displaystyle \alpha<-2 라고 가정하자.

A2=B\displaystyle A^2=B라고 두면 Bn=A2n=(An)2=E2=E\displaystyle B^n=A^{2n}=(A^n)^2=E^2=E이고,

tr(B)=tr(A2)=a2=α2−2>2\displaystyle tr(B)=tr(A^2)=a_2=\alpha^2-2>2이므로 경우1에 의해 모순이다.

따라서 α≥−2\displaystyle \alpha\ge-2이다. 경우1과 경우2에 의해 −2≤tr(A)≤2\displaystyle -2\le tr(A)\le2이다.

(1)-(b)

trA=2\displaystyle trA=2일 때, A2−2A+E=0\displaystyle A^2-2A+E=0이고 적당한 다항식 q(x)\displaystyle q(x)에 대하여

xn=(x2−2x+1)q(x)+nx+(1−n)\displaystyle x^n=(x^2-2x+1)q(x)+nx+(1-n) 이므로

E=An=(A2−2A+E)q(A)+nA+(1−n)E=nA+(1−n)E\displaystyle \begin{aligned}E=A^n&=(A^2-2A+E)q(A)+nA+(1-n)E\\&=nA+(1-n)E\end{aligned}

이다. 따라서 A=E\displaystyle A=E이다.

B=[abcd]\displaystyle B=\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}가 B5=E\displaystyle B^5=E를 만족시키므로 det⁡B=ad−bc=1\displaystyle \det B=ad-bc=1 ---① 이다.

행렬 A=[cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ]\displaystyle A=\begin{bmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{bmatrix}를 ABA−1B−1\displaystyle ABA^{-1}B^{-1}에 대입하여 계산하면

tr(ABA−1B−1)=2cos⁡2θ+(a2+b2+c2+d2)sin⁡2θ\displaystyle tr(ABA^{-1}B^{-1})=2\cos^2\theta+(a^2+b^2+c^2+d^2)\sin^2\theta ---② 이다.

부등식 a2+b2+c2+d2≥2a2+b2c2+d2≥2(ad−bc)=2\displaystyle a^2+b^2+c^2+d^2\ge2\sqrt{a^2+b^2}\sqrt{c^2+d^2}\ge2(ad-bc)=2를

식 ② 에 대입하면 tr(ABA−1B−1)≥2\displaystyle tr(ABA^{-1}B^{-1})\ge2 ---③ 이다. (ABA−1B−1)5=E\displaystyle (ABA^{-1}B^{-1})^5=E이므로

(1)-(a)에 의하여 tr(ABA−1B−1)≤2\displaystyle tr(ABA^{-1}B^{-1})\le2 ---④ 이다.

식 ③와 ④에 의하여 tr(ABA−1B−1)=2\displaystyle tr(ABA^{-1}B^{-1})=2 이므로 (1)-(b)에 의하여 ABA−1B−1=E\displaystyle ABA^{-1}B^{-1}=E.

즉, AB=BA\displaystyle AB=BA 이다. 이 식을 계산하여 정리하면 a=d, b=−c\displaystyle a=d,\ b=-c 이므로

식 ①은 a2+c2=1\displaystyle a^2+c^2=1 이 된다.

그러므로 B=[abcd]\displaystyle B=\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}를 적당한 실수 γ\displaystyle \gamma에 대하여 B=[cos⁡γ−sin⁡γsin⁡γcos⁡γ]\displaystyle B=\begin{bmatrix}\cos\gamma&-\sin\gamma\\\sin\gamma&\cos\gamma\end{bmatrix}로 나타낼 수 있다.

따라서 행렬 B\displaystyle B가 B5=E, (ABA−1B−1)5=E\displaystyle B^5=E,\ (ABA^{-1}B^{-1})^5=E ---⑤ 을 만족시키기 위한 필요충분조건은

B=[cos⁡γ−sin⁡γsin⁡γcos⁡γ], B5=E\displaystyle B=\begin{bmatrix}\cos\gamma&-\sin\gamma\\\sin\gamma&\cos\gamma\end{bmatrix},\ B^5=E 이다.

즉, B5=[cos⁡γ−sin⁡γsin⁡γcos⁡γ]5=[cos⁡5γ−sin⁡5γsin⁡5γcos⁡5γ]=[1001]\displaystyle B^5=\begin{bmatrix}\cos\gamma&-\sin\gamma\\\sin\gamma&\cos\gamma\end{bmatrix}^5=\begin{bmatrix}\cos5\gamma&-\sin5\gamma\\\sin5\gamma&\cos5\gamma\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}이므로

식 ⑤를 만족시키는 모든 행렬 B\displaystyle B는 B=[cos⁡γ−sin⁡γsin⁡γcos⁡γ], γ=2kπ5, k=0,1,2,3,4\displaystyle B=\begin{bmatrix}\cos\gamma&-\sin\gamma\\\sin\gamma&\cos\gamma\end{bmatrix},\ \gamma=\frac{2k\pi}{5},\ k=0,1,2,3,4이다.

문항배점채점기준
1-(1)(a)20점전체적인 풀이과정이 정확한 경우
1-(1)(a)15점전체적인 풀이과정이 거의 정확한 경우
1-(1)(a)10점풀이과정의 방향은 맞지만 실수가 있는 경우
1-(1)(a)5점An=[1001]\displaystyle A^n=\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}를 만족하는 이차정사각행렬이 A=[cos⁡2kπn−sin⁡2kπnsin⁡2kπncos⁡2kπn]\displaystyle A=\begin{bmatrix}\cos\frac{2k\pi}{n}&-\sin\frac{2k\pi}{n}\\\sin\frac{2k\pi}{n}&\cos\frac{2k\pi}{n}\end{bmatrix}일이라고 추측하고 −2≤trA=2cos⁡2kπn≤2\displaystyle -2\le trA=2\cos\frac{2k\pi}{n}\le2라고 설명한 경우
1-(1)(b)20점전체적인 풀이과정이 정확한 경우
1-(1)(b)15점전체적인 풀이과정이 거의 정확한 경우
1-(1)(b)5~10점풀이과정의 방향은 맞지만 실수가 있는 경우
1-(2)30점전체적인 풀이과정이 정확한 경우
1-(2)20점전체적인 풀이과정이 거의 정확한 경우
1-(2)10점풀이과정의 방향은 맞지만 실수가 있는 경우
1-(2)5점(ABA−1B−1)5=E\displaystyle (ABA^{-1}B^{-1})^5=E로부터 ABA−1B−1=E\displaystyle ABA^{-1}B^{-1}=E라고 추측을 하고 B=[cos⁡γ−sin⁡γsin⁡γcos⁡γ]\displaystyle B=\begin{bmatrix}\cos\gamma&-\sin\gamma\\\sin\gamma&\cos\gamma\end{bmatrix}라고 가정한 뒤 B5=E\displaystyle B^5=E로부터 γ=2kπ5,k=0,1,2,3,4\displaystyle \gamma=\frac{2k\pi}{5},k=0,1,2,3,4라고 설명한 경우

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