공통수학1행렬과 그 연산수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

행렬 조건과 벡터 변환

문제

역행렬이 존재하는 두 이차정사각행렬 AA, BB가 다음 조건을 만족시킨다.

(가) 2A2AE=O2 A ^{2} - A - E = O (나) A(30)=(12)\displaystyle A {\begin{pmatrix} 3 \\ 0 \end{pmatrix}} = {\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}} (다) (AB1)(12)=(00)\displaystyle ( A - B ^{-1} ) {\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}} = {\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix}}

B(21)=(ab)\displaystyle B {\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \end{pmatrix}} = {\begin{pmatrix} a \\ b \end{pmatrix}}를 만족시키는 실수 aa, bb에 대하여 a+ba + b의 값을 구하시오. (단, EE는 단위행렬이고, OO는 영행렬이다.) [4점]

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3

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해설

[출제의도] 행렬의 연산과 역행렬의 성질을 이용하여 조건을 만족시키는 행렬을 구한다. 조건 (가)에서 2A2A=E2 A ^{2} - A = E A(2AE)=EA ( 2 A - E ) = E A1=2AEA ^{- 1} = 2 A - E … ㉠ 조건 (나)에서 등식의 양변의 왼쪽에 A1A ^{- 1}을 곱하면 (30)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 3 \\ 0 \end{matrix}} \end{array} \right)=A1= A ^{- 1}(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right) ㉠에서 (30)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 3 \\ 0 \end{matrix}} \end{array} \right)=(2AE)= ( 2 A - E )(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right) 2A(12)\displaystyle 2 A \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)-(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)==(30)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 3 \\ 0 \end{matrix}} \end{array} \right) 2A(12)\displaystyle 2 A \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)==(42)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 4 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right) A(12)\displaystyle A \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)==(21)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 2 \\ 1 \end{matrix}} \end{array} \right) … ㉡ 조건 (다)에서 등식의 양변의 왼쪽에 BB를 곱하면 B(AB1)B ( A - B ^{- 1} )(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)==BB(00)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix}} \end{array} \right) BABA(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)-(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)==(00)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix}} \end{array} \right) BABA(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)==(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right) ㉡에서 BABA(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)=B= B(21)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 2 \\ 1 \end{matrix}} \end{array} \right)==(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)이므로 BB(21)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 2 \\ 1 \end{matrix}} \end{array} \right)==(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)a=1a = 1, b=2b = 2이므로 a+b=3a + b = 3 [다른 풀이] 조건 (가)에서 등식의 양변의 오른쪽에 행렬 (30)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 3 \\ 0 \end{matrix}} \end{array} \right)을 곱하면 (2A2AE)(30)=(00)\displaystyle ( 2 A ^{2} - A - E ) \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 3 \\ 0 \end{matrix}} \end{array} \right) = \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix}} \end{array} \right) 2A2(30)A(30)(30)=(00)\displaystyle 2 A ^{2} {\begin{pmatrix} 3 \\ 0 \end{pmatrix}} - A {\begin{pmatrix} 3 \\ 0 \end{pmatrix}} - {\begin{pmatrix} 3 \\ 0 \end{pmatrix}} = \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix}} \end{array} \right) 조건 (나)에서 2A(12)(12)(30)=(00)\displaystyle 2 A {\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}} - {\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}} - {\begin{pmatrix} 3 \\ 0 \end{pmatrix}} = \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix}} \end{array} \right) A(12)=(21)\displaystyle A {\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}} = {\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \end{pmatrix}} … ㉠ 조건 (다)와 ㉠에서 A(12)B1(12)=(00)\displaystyle A \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix} - B ^{- 1} \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} B1B ^{-1}(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)==A(12)\displaystyle A \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}=(21)\displaystyle = \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 2 \\ 1 \end{matrix}} \end{array} \right) 이 등식의 양변의 왼쪽에 BB를 곱하면 BB(21)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 2 \\ 1 \end{matrix}} \end{array} \right)==(12)\displaystyle \left( \begin{array}{l} {\begin{matrix} 1 \\ 2 \end{matrix}} \end{array} \right)a+b=3a + b = 3

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