공통수학1행렬과 그 연산수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

행렬 거듭제곱의 합

문제

행렬 A=(0110)\displaystyle A = {\begin{pmatrix} 0 & & 1 \\ 1 & & 0 \end{pmatrix}}에 대하여 12002n=12002An=(abcd)\displaystyle \frac{1}{2002} \sum\limits _{n = 1} ^{2002} A ^{n} = {\begin{pmatrix} a & & b \\ c & & d \end{pmatrix}} 일 때, a+b+c+da + b + c + d 의 값을 구하시오. [3점]

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해설

행렬 A=(0110)\displaystyle A = {\begin{pmatrix} 0 & & 1 \\ 1 & & 0 \end{pmatrix}}에 대하여, A2=(0110)(0110)=(1001)\displaystyle A ^{2} = {\begin{pmatrix} 0 & & 1 \\ 1 & & 0 \end{pmatrix}} {\begin{pmatrix} 0 & & 1 \\ 1 & & 0 \end{pmatrix}} = {\begin{pmatrix} 1 & & 0 \\ 0 & & 1 \end{pmatrix}} A3=A2A=(1001)(0110)=(0110)=A\displaystyle A ^{3} = A ^{2} A = {\begin{pmatrix} 1 & & 0 \\ 0 & & 1 \end{pmatrix}} {\begin{pmatrix} 0 & & 1 \\ 1 & & 0 \end{pmatrix}} = {\begin{pmatrix} 0 & & 1 \\ 1 & & 0 \end{pmatrix}} = A 즉, A2n=E,A2n1=AA ^{2 n} = E , A ^{2 n - 1} = A이므로, n=12002An=A+A2+A3++A2002\displaystyle \sum\limits _{n=1} ^{2002} A ^{n} = A + A ^{2} + A ^{3} + \cdots + A ^{2002} =A+E+A++E= A + E + A + \cdots + E =1001A+1001E= 1001 A + 1001 E =1001(0110)+1001(1001)=1001(1111)\displaystyle = 1001 {\begin{pmatrix} 0 & & 1 \\ 1 & & 0 \end{pmatrix}} + 1001 {\begin{pmatrix} 1 & & 0 \\ 0 & & 1 \end{pmatrix}} = 1001 {\begin{pmatrix} 1 & & 1 \\ 1 & & 1 \end{pmatrix}} 따라서, 12002n=12002An=120021001(1111)=12(1111)=(abcd)\displaystyle \frac{1}{2002} \sum\limits _{n = 1} ^{2002} A ^{n} = \frac{1}{2002} \cdot 1001 {\begin{pmatrix} 1 & & 1 \\ 1 & & 1 \end{pmatrix}} = \frac{1}{2} {\begin{pmatrix} 1 & & 1 \\ 1 & & 1 \end{pmatrix}} = {\begin{pmatrix} a & & b \\ c & & d \end{pmatrix}} 따라서, a+b+c+d=2a + b + c + d = 2이다.

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