공통수학1행렬과 그 연산수능 기출기본 문제 (3점 중반)

행렬 거듭제곱의 역행렬

문제

행렬 A=(1132)\displaystyle A = \begin{pmatrix} 1 & - 1 \\ 3 & - 2 \end{pmatrix}에 대하여 집합 XXX={Ann은자연수}X = \left\{ A ^{n} | n \text{은} \text{자연수} \right\}라 하자. 집합 XX의 두 원소 P,QP , Q가 다음 두 조건을 만족시킬 때, QQ의 모든 성분의 합은? [3점] (가) PP의 모든 성분의 합은 3- 3이다. (나) PQ=EPQ = E (단, EE는 단위행렬이다.)

3- 32- 2221133

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해설

a+d=1,adbc=1a + d = - 1 , ad - bc = 1이므로 케일리-해밀턴의 정리를 쓰면 A2+A+E=OA3=EA ^{2} + A + E = O \rightarrow A ^{3} = E \cdots① 이다. 그러므로 AkA ^{k}는 주기가 3이므로 집합 XX의 원소는 A,A2,A3=EA , A ^{2} , A ^{3} = E의 3종류만 있게 된다. 여기서 각각의 행렬을 구해보면 A=(1132)\displaystyle {A = \begin{pmatrix} 1 & - 1 \\ 3 & - 2 \end{pmatrix}}, A2=AE=(1132)(1001)=(2131)\displaystyle A ^{2} = - A - E = - {\begin{pmatrix} 1 & - 1 \\ 3 & - 2 \end{pmatrix}} - {\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}} = \begin{pmatrix} - 2 & 1 \\ - 3 & 1 \end{pmatrix}이다. 그러므로 성분의 합이 3- 3이 되는 행렬은 A2A ^{2}행렬이고, ①식에 의해 Q=AQ = A이다. Q\therefore Q의 성분의합==11

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