우석대학교 에너지공학과
이우금 교수
2 6-6. 복소수의 n제곱과 n제곱근 6-6-1. 복소수의 n제곱 (복습) 복소수의 n제곱을 좌표형식으로 표시하면, A 𝑛 = 𝑎 + 𝑏𝑖 𝑛 이를 지수함수형식(또는 극좌표형식)을 이용하여 표시하면 (드 므와브르 정리), A 𝑛 = (A𝑒𝑖θ)𝑛 = A𝑛𝑒𝑖𝑛θ = A𝑛{cos 𝑛𝜃 + 𝑖 sin(𝑛𝜃)} = A𝑛 𝑛𝜃
예제) 1 + 𝑖 −2 를 계산하라. 1 step: 1 + 𝑖 = 2(cos𝜋 4+ 𝑖 sin 𝜋 4) 2 step: 드 므와브르 정리 1 + 𝑖 −2 = { 2(cos𝜋 4+ 𝑖 sin 𝜋 4)} −2 = 2−22 cos −2𝜋 4 + 𝑖 sin − 2𝜋 4 =12 −𝑖 = −12𝑖
6-6-2. 복소수의 n제곱근 (복습)
이항방정식 (A 𝑛 = B ) 의 해법 정리
복소수 A 와 B 가 다음과 같을 때: A = A𝑒𝑖𝜑 = A φ, B = B𝑒𝑖θ = B θ
1) 좌변의 A 𝑛 을 드 므와브르 정리에 의해 극형식으로 변환.
A 𝑛 = (A𝑒𝑖𝜑)𝑛 = A𝑛{cos 𝑛𝜑 + 𝑖 sin(𝑛𝜑)}
2) 우변의 복소수 B 를 극형식으로 변환하고, 각 θ 는 일반각 θ = θ + 2𝑘𝜋 로 변환. B = B (θ + 2𝑘𝜋) = B{cos(θ + 2𝑘𝜋) + 𝑖 sin(θ + 2𝑘𝜋)} 3) A 𝑛 = B 에 의해 복소수 A 의 크기 A 와 편각 φ 를 구한다. 크기: A𝑛 = B A= B𝑛 편각: 𝑛𝜑 = θ + 2𝑘𝜋 𝜑 =θ+2𝑘𝜋𝑛
4) 크기와 편각을 복소수 A = A𝑒𝑖𝜑 = A(cos 𝜑 + 𝑖 sin 𝜑)} 에 대입한다.
위의 등식으로부터 크기는 같고, 편각 θ 를 일반각 (즉, θ = θ + 2𝑘𝜋)으로 고치면, A 𝑘 = A 𝜑 = B𝑛 θ+2𝑘𝜋𝑛 = B𝑛 (cosθ+2𝑘𝜋 𝑛 + 𝑖 sin θ+2𝑘𝜋 𝑛 ) , (단, 𝑘 = 0, 1, 2, … , 𝑛 − 1)
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예제 6-3) A = 2𝑖 인 복소수의 세제곱근을 구하라.
1) 좌변의 A 3 을 드 므와브르 정리에 의해 극형식으로 변환. A 3 = (A𝑒𝑖𝜑)3 = A3{cos 3𝜑 + 𝑖 sin(3𝜑)}
2) 우변의 복소수 B 를 극형식으로 변환하고, 각 θ 는 일반각 θ = θ + 2𝑘𝜋 로 변환. B = 2 (𝜋2+ 2𝑘𝜋) = 2 ∙ {cos(𝜋2+ 2𝑘𝜋) + 𝑖 sin(𝜋2+ 2𝑘𝜋)}
3) A3{cos 3𝜑 + 𝑖 sin(3𝜑)} = 2 ∙ {cos(𝜋2+ 2𝑘𝜋) + 𝑖 sin(𝜋2 + 2𝑘𝜋)} 에 의해 A 의 크기 및 편각을 구함. 크기: A3 = 2 A= 23 편각: 3𝜑 =𝜋 2 + 2𝑘𝜋 𝜑 = 1 3( 𝜋 2+ 2𝑘𝜋)
4) 복소수의 크기와 편각을 A = A𝑒𝑖𝜑 = A(cos 𝜑 + 𝑖 sin 𝜑)} 에 대입 A 𝑘 = A 𝜑 = 23 {cos13(𝜋2+ 2𝑘𝜋) + 𝑖 sin13(𝜋2+ 2𝑘𝜋)} , (𝑘 = 0, 1, 2) 5) 주근 및 부근을 구하면, 주근: A 0 = 23 cos𝜋6+ 𝑖 sin𝜋6 = 23 (23+12𝑖) 부근: A 1 = 23 (cos5𝜋6 + 𝑖 sin5𝜋6) = 23 (− 12+ 23𝑖) A 2 = 23 cos3𝜋2 + 𝑖 sin3𝜋2 = − 23 𝑖 0 𝑦 (허축) 𝑥 (실축) θ=120° A 0 A 2 A 1 θ=120° θ=120° θ=30°
7. 방정식과 부등식
7-1. 방정식 (equation)
방정식의 정의 (definition) 방정식 (equation): 미지수를 포함하고 있는 등식 해 (solution): 방정식을 만족하는 미지수의 값 방정식 풀음 (solving): 방정식의 해를 구하는 것 ※ 이 절에서는 미지수를 한 개 만 포함하고 있는 방정식을 고려함. 방정식의 일반적인 형태 𝑓 𝑥 = 0 이고, 𝑓 𝑥 = 0의 해는 함수 𝑦 = 𝑓 𝑥 의 그래프와 𝑥축 (𝑦 = 0)이 만나는 점(공유점)의 𝑥 좌표 임. 𝑓 𝑥 가 𝑛 차 다항식이면, 𝑓 𝑥 = 0 을 𝑛차 방정식이라 하며, 다음과 같이 표시함. 𝑎𝑛𝑥𝑛 + 𝑎 𝑛−1𝑥𝑛−1+ ⋯ 𝑎1𝑥 + 𝑎0 = 0, (단, 𝑎𝑛 ≠ 0, 𝑎𝑛−1, … , 𝑎1, 𝑎0은 상수) 등식의 기본성질 𝑎 = 𝑏 이고, 𝑏 = 𝑐 이면, 𝑎 = 𝑐 이다. 𝑎 = 𝑏 이면, 임의의 𝑐 에대해 𝑎 + 𝑐 = 𝑏 + 𝑐 이다. 𝑎 = 𝑏 이면, 임의의 𝑐 에대해 𝑎𝑐 = 𝑏𝑐 이다.6 예제 7-1) 다음의 방정식을 풀어라. 1)
𝑥
2− 2𝑥 + 3 = 0
근의 공식:𝑥 =
−𝑏± 𝑏2−4𝑎𝑐 2𝑎=
2± (−2)2−4×3 2=
2±2 −2 2= 1 ± 2𝑖
2)𝑥
3− 3𝑥
2+ 5𝑥 − 3 = 0
인수분해: 𝑥3− 3𝑥2+ 5𝑥 − 3 = 0 = (𝑥 − 2)(𝑥2− 2𝑥 + 3) = 0 그러므로, 𝑥1 = 2, 𝑥2 = 1 + 2𝑖, 𝑥3 = 1 − 2𝑖7-2. 연립선형방정식 (simultaneous leaner equation)
연립방정식의 정의 (definition) 연립방정식 (simultaneous equation): 두 개 이상의 방정식으로 이루어진 것 특히, 선형방정식(1차방정식)들로 이루어진 연립방정식을 연립선형방정식 이라 함. 차원(dimension): 미지수의 수. 해 (solution): 연립방정식을 만족하는 미지수들의 값 기하학적 의미에서의 연립방정식의 해 주어진 연립방정식을 구성하고 있는 모든 방정식이 공통으로 포함하는 점의 좌표 연립방정식의 해는 다음의 세 경우로 분류됨. 1) 모든 방정식의 그래프들이 단 한 점 만을 공유하는 경우 2) 모든 방정식의 그래프들이 둘 이상의 점을 공유하는 경우 3) 모든 방정식의 그래프들이 공유하는 점이 없는 경우 연립방정식의 해법 대입법 소거법8 예제 7-2) 다음의 방정식을 대입법과 소거법으로 각각 풀어라. 𝑥 + 2𝑦 = 7 3𝑥 − 4𝑦 = 1 1) 대입법 𝑥 = 7 − 2𝑦 3(7 − 2𝑦) − 4𝑦 = 1 −10𝑦 = −20 𝑦 = 2, 𝑥 = 3 2) 소거법 (𝑥 + 2𝑦 = 7) × 3 3𝑥 + 6𝑦 = 21 3𝑥 − 4𝑦 = 1 3𝑥 − 4𝑦 = 1 −10𝑦 = −20
예제 7-3) 다음의 방정식을 풀어라.
𝑥 + 2𝑦 = 8 2𝑥 + 4𝑦 = 16 1) 대입법 𝑥 = 8 − 2𝑦 2 8 − 2𝑦 + 4𝑦 = 16 16 − 4𝑦 + 4𝑦 = 16 16 = 16 ※ 첫째 식과 둘째 식은 동치: 즉, 두 그래프가 일치함. 무수히 많은 해를 가짐.예제 7-4) 다음의 방정식을 풀어라.
𝑥 + 2𝑦 = 5 2𝑥 + 4𝑦 = 16 1) 대입법 𝑥 = 5 − 2𝑦 2 5 − 2𝑦 + 4𝑦 = 16 10 − 4𝑦 + 4𝑦 = 16 ※ 첫째 식과 둘째 식은 공유점이 없음: 즉, 두 그래프가 평행함. 동시에 만족하는 해가 없음.10
7-3. 부등식 (inequality)
부등식의 해 미지수를 포함하고 있는 부등식을 만족하는 미지수의 값 부등식의 해를 구하는 것을 부등식을 푼다고 함 ※ 부등식의 해는 실수범위 안에서만 취급함. 부등식의 일반적인 형태 𝑓 𝑥 < 0, 𝑓 𝑥 ≤ 0 또는 𝑓 𝑥 ≥ 0, 𝑓 𝑥 ≥ 0 부등식의 기본성질 𝑎 < 𝑏 이고, 𝑏 < 𝑐 이면, 𝑎 < 𝑐 이다. 𝑎 < 𝑏 이면, 임의의 실수 𝑐 에대해 𝑎 + 𝑐 < 𝑏 + 𝑐 이다. 𝑎 < 𝑏 이면, 임의의 양수 𝑐 > 0 에대해 𝑎𝑐 < 𝑏𝑐 이다. 𝑎 < 𝑏 이면, 임의의 음수 𝑐 < 0 에대해 𝑎𝑐 > 𝑏𝑐 이다. 또한 𝑎𝑏 < 0 이면, 𝑎 < 0 & 𝑏 > 0 또는 𝑎 > 0 & 𝑏 < 0 이다. 𝑎𝑏 > 0 이면, 𝑎 < 0 & 𝑏 < 0 또는 𝑎 > 0 & 𝑏 > 0 이다. 1차 부등식 다음의 부등식 𝑎1𝑥 + 𝑎0 < 0 을 풀어라. 𝑎1𝑥 + 𝑎0 < 0 𝑎1𝑥 < −𝑎0 case 1) 𝑎1 > 0 이면, 𝑥 < −𝑎0 𝑎1 case 2) 𝑎1 < 0 이면, 𝑥 > −𝑎0 𝑎1 예제 7-5) −2𝑥 + 4 < 0 을 풀어라 𝑥 > −24 𝑥 > −2
12 2 차 부등식 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + c < 0 를 풀어라. Case 1) 판별식 𝑏2− 4𝑎𝑐 = 𝑑2 > 0 : 상이한 두 실근 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + c = 𝑎(𝑥 −−𝑏+𝑑 2𝑎 )(𝑥 − −𝑏−𝑑 2𝑎 ) < 0 𝑎 > 0 일때 𝑎(𝑥 −−𝑏+𝑑2𝑎 )(𝑥 −−𝑏−𝑑2𝑎 ) < 0 (𝑥 −−𝑏+𝑑2𝑎 )(𝑥 −−𝑏−𝑑2𝑎 ) < 0, 그러므로, (𝑥 −−𝑏+𝑑 2𝑎 ) > 0 𝑎𝑛𝑑 (𝑥 − −𝑏−𝑑 2𝑎 ) < 0 𝑥 > −𝑏+𝑑 2𝑎 𝑎𝑛𝑑 𝑥 < −𝑏−𝑑 2𝑎 𝑛𝑜𝑡 𝑚𝑎𝑘𝑒 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑒! 또는 𝑥 −−𝑏+𝑑2𝑎 < 0 𝑎𝑛𝑑 𝑥 −−𝑏−𝑑2𝑎 > 0 𝑥 < −𝑏+𝑑2𝑎 𝑎𝑛𝑑 𝑥 > −𝑏−𝑑2𝑎 𝑚𝑎𝑘𝑒 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑒! Finally, −𝑏−𝑑 2𝑎 < 𝑥 < −𝑏+𝑑 2𝑎 ※note: (𝑥 −−𝑏+𝑑 2𝑎 ) < (𝑥 − −𝑏−𝑑 2𝑎 ) why? (𝑥 −−𝑏+𝑑 2𝑎 ) < (𝑥 − −𝑏−𝑑 2𝑎 ) (𝑥 − −𝑏 2𝑎) − 𝑑 2𝑎 < (𝑥 − −𝑏 2𝑎) + 𝑑 2𝑎
2 차 부등식 (계속) 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + c < 0 를 풀어라. Case 1) 판별식 𝑏2− 4𝑎𝑐 = 𝑑2 > 0 : 상이한 두 실근 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + c = 𝑎(𝑥 −−𝑏+𝑑 2𝑎 )(𝑥 − −𝑏−𝑑 2𝑎 ) < 0 𝑎 < 0 일때 𝑎(𝑥 −−𝑏+𝑑2𝑎 )(𝑥 −−𝑏−𝑑2𝑎 ) < 0 (𝑥 −−𝑏+𝑑2𝑎 )(𝑥 −−𝑏−𝑑2𝑎 ) > 0, 그러므로, (𝑥 −−𝑏+𝑑 2𝑎 ) > 0 𝑎𝑛𝑑 (𝑥 − −𝑏−𝑑 2𝑎 ) > 0 𝑥 > −𝑏+𝑑 2𝑎 𝑎𝑛𝑑 𝑥 > −𝑏−𝑑 2𝑎 𝑥 > −𝑏−𝑑 2𝑎 또는 𝑥 −−𝑏+𝑑2𝑎 < 0 𝑎𝑛𝑑 𝑥 −−𝑏−𝑑2𝑎 < 0 𝑥 < −𝑏+𝑑2𝑎 𝑎𝑛𝑑 𝑥 < −𝑏−𝑑2𝑎 𝑥 < −𝑏+𝑑2𝑎 Finally, 𝑥 < −𝑏+𝑑 2𝑎 𝑜𝑟 𝑥 < −𝑏−𝑑 2𝑎 ※note: (𝑥 −−𝑏+𝑑 2𝑎 ) < (𝑥 − −𝑏−𝑑 2𝑎 )
14 2 차 부등식 (계속) 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + c < 0 를 풀어라. Case 2) 판별식 𝑏2− 4𝑎𝑐 = 0 : 중근 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + c = 𝑎(𝑥 −−𝑏 2𝑎) 2< 0 𝑎 > 0 일때 𝑎(𝑥 −−𝑏2𝑎)2< 0 (𝑥 −−𝑏 2𝑎)2< 0 ※ 제곱을 해서 음이 되는 실수는 없으므로 (즉, (𝑥 −−𝑏 2𝑎)2> 0) 부등식이 성립하지 않아, 해가 존재하지 않음. 𝑎 < 0 일때 𝑎(𝑥 −−𝑏2𝑎)2< 0 (𝑥 −−𝑏2𝑎)2 > 0 ※ 𝑥 = −𝑏2𝑎 를 제외하고 모든 실수에서 부등식이 성립하므로, 이 부등식의 해는 𝑥 ≠ −𝑏2𝑎 인 모든 실수.
2 차 부등식 (계속) 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + c < 0 를 풀어라. Case 3) 판별식 𝑏2− 4𝑎𝑐 < 0 (즉, 4𝑎𝑐 − 𝑏2 > 0 ) : 허근 이 경우 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + c 는 실수 범위 내에서 인수분해 되지 않고 다음과 같다. 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + c = 𝑎(𝑥 −−𝑏 2𝑎) 2+4𝑎𝑐−𝑏2 4𝑎 < 0 𝑎 > 0 일때 𝑎(𝑥 −−𝑏2𝑎)2+4𝑎𝑐−𝑏2 4𝑎 < 0 (𝑥 − −𝑏 2𝑎)2+ 4𝑎𝑐−𝑏2 4𝑎2 < 0 ※ (𝑥 −−𝑏 2𝑎)2> 0 이고 4𝑎𝑐−𝑏2 4𝑎2 는 항상 양수이므로, 부등식이 성립하지 않아, 해가 존재하지 않음. Question: 왜 4𝑎𝑐−𝑏2 4𝑎2 는 항상 양수 인가? 𝑎 < 0 일때 𝑎(𝑥 −−𝑏2𝑎)2+4𝑎𝑐−𝑏2 4𝑎 < 0 (𝑥 − −𝑏 2𝑎)2+ 4𝑎𝑐−𝑏2 4𝑎2 > 0 ※ 𝑥 의 모든 실수에서 부등식이 성립하므로, 이 부등식의 해는 모든 실수.
16 예제 7-6) 𝑥2− 3𝑥 + 2 > 0 를 풀어라. 𝑥2− 3𝑥 + 2 =(𝑥 − 2)(𝑥 − 1) > 0 𝑥 − 2 > 0 𝑎𝑛𝑑 𝑥 − 1 > 0 𝑥 > 2 𝑎𝑛𝑑 𝑥 > 1, 그러므로 𝑥 > 2 또는 𝑥 − 2 < 0 𝑎𝑛𝑑 𝑥 − 1 < 0 𝑥 < 2 𝑎𝑛𝑑 𝑥 < 1, 그러므로 𝑥 < 1 Finally, 𝑥 < 1 𝑜𝑟 𝑥 > 2 예제 7-7) 𝑥2− 3𝑥 + 2 < 0 를 풀어라. 𝑥2− 3𝑥 + 2 =(𝑥 − 2)(𝑥 − 1) < 0 𝑥 − 2 > 0 𝑎𝑛𝑑 𝑥 − 1 < 0 𝑥 > 2 𝑎𝑛𝑑 𝑥 < 1 𝑛𝑜𝑡 𝑚𝑎𝑘𝑒 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑒! 또는 𝑥 − 2 < 0 𝑎𝑛𝑑 𝑥 − 1 > 0 𝑥 < 2 𝑎𝑛𝑑 𝑥 > 1 𝑚𝑎𝑘𝑒 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑒! Finally, 1 < 𝑥 < 2
3 차 부등식 𝑥3−3𝑥2+5𝑥 − 3 < 0 를 풀어라. 𝑥3−3𝑥2+5𝑥 − 3 을 인수분해 하면, 𝑥3 −3𝑥2 +5𝑥 − 3 = (𝑥 − 1)(𝑥2− 2𝑥 + 3) < 0 𝑥2− 2𝑥 + 3 = (𝑥 − 1)2+2 > 0 이므로, (𝑥2− 2𝑥 + 3) 으로 양 변을 나누면, (𝑥 − 1)(𝑥2− 2𝑥 + 3) < 0 (𝑥 − 1) < 0 그러므로, 주어진 3차 부등식의 해: 𝑥 < 1
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7-4. 연립선형부등식 (simultaneous leaner inequality)
연립선형부등식의 일반적인 형태 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 < 0, 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 ≤ 0 또는 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 > 0, 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 ≥ 0 (단, 𝑎, 𝑏, 𝑐 는 상수이고, 𝑎 와 𝑏 가 동시에 0 은 아님) 선형부등식의 그래프 선형부등식을 만족하는 점들의 집합(해영역)을 그 선형부등식의 그래프라 함. (𝑥, 𝑦) 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 < 0 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 < 0 의 그래프 (𝑥, 𝑦) 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 > 0 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 > 0 의 그래프예제 7-8) 3𝑥 + 𝑦 − 6 < 0 의 그래프를 𝑥𝑦 평면상에 그려라. 점 (𝑥, 𝑦) 가 그래프에 속하면 3𝑥 + 𝑦 − 6 < 0 이 성립하고, 점 (𝑥, 𝑦) 가 그래프에 속하지 안으면 3𝑥 + 𝑦 − 6 ≥ 0 이다. 또한, 점 (𝑥, 𝑦)가 3𝑥 + 𝑦 − 6 = 0 을 만족하면, 3𝑥 + 𝑦 − 6 < 0 의 그래프의 경계상의 점이 됨. 선형방정식 3𝑥 + 𝑦 − 6 = 0 의 그래프가 선형부등식 3𝑥 + 𝑦 − 6 < 0 의 그래프의 경계선. 그러므로, 𝑥𝑦 평면을 3𝑥 + 𝑦 − 6 = 0 의 그래프가 분할하여 생기는 두 개의 평면 중 하나가 3𝑥 + 𝑦 − 6 < 0 의 그래프 이다. 𝑥𝑦 평면에 3𝑥 + 𝑦 − 6 = 0 의 그래프를 그리면, 3𝑥 + 𝑦 − 6 < 0 가 어느 쪽 평면인가 check! 𝑦 < −3𝑥 + 6 𝑥 = 0, 𝑦 < 6 𝑦 = −3𝑥 + 6 2 6 𝑥 𝑦 0
20 예제 7-9) 아래 주어진 연립선형부등식의 그래프를 그려라. 𝑥 + 𝑦 − 2 ≥ 0 2𝑥 − 𝑦 − 4 ≤ 0 1) 𝑥 + 𝑦 − 2 ≥ 0 𝑦 ≥ −𝑥 + 2 2) 2𝑥 − 𝑦 − 4 ≤ 0 𝑦 ≥ 2𝑥 − 4 3) 각각의 그래프를 그리면, 𝑦 = −𝑥 + 2 𝑦 = 2𝑥 − 4 4) 어느 쪽 평면인가 check! 𝑦 ≥ −𝑥 + 2 𝑥 = 0, 𝑦 ≥ 2 𝑦 ≥ 2𝑥 − 4𝑥 𝑥 = 0, 𝑦 ≥ −4 2 2 𝑥 𝑦 0 −4 𝑦 = 2𝑥 − 4 𝑦 = −𝑥 + 2
예제 7-10) 아래 주어진 연립선형부등식의 그래프를 그려라. 𝑥 + 2𝑦 − 2 ≤ 0 𝑥 + 2𝑦 − 6 ≥ 0 1) 𝑥 + 2𝑦 − 2 ≤ 0 𝑦 ≤ −𝑥2+ 1 2) 𝑥 + 2𝑦 − 6 ≥ 0 𝑦 ≥ −𝑥2+ 3 3) 각각의 그래프를 그리면, 𝑦 = −𝑥2+ 1 𝑦 = −𝑥2+ 3 4) 어느 쪽 평면인가 check! 𝑦 ≤ −𝑥2+ 1 𝑥 = 0, 𝑦 ≤ 1 𝑦 ≥ −𝑥2+ 3 𝑥 = 0, 𝑦 ≥ 3 ※ 두 그래프의 공통부분은 없음. 2 1 𝑥 𝑦 0 3 𝑦 = −𝑥 2+ 3 𝑦 = −𝑥2+ 1 6