공통수학1행렬과 그 연산수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

역행렬 식 증명 빈칸

문제

다음은 이차정사각행렬 AAA2AA ^{2} \ne A이고 A9=A7=AA ^{9} = A ^{7} = A를 만족시킬 때 (AkE)1=1k(1k2)A2+11k2A1kE\displaystyle ( A - kE ) ^{- 1} = \frac{1}{k ( 1 - k ^{2} )} A ^{2} + \frac{1}{1 - k ^{2}} A - \frac{1}{k} E 임을 증명한 것이다. (단, k0k \ne 0, k±1k \ne \pm 1인 실수이고, EE는 단위행렬이다.)

A9=A7=AA ^{9} = A ^{7} = A이므로 A=A = ()\square {\left( \text{가} \right)} 이다. A=(AkE+kE)3A = ( A - kE + kE ) ^{3} 이므로 A=(AkE)3+3(AkE)2kEA = ( A - kE ) ^{3} + 3 ( A - kE ) ^{2} kE +3(AkE)(kE)2+(kE)3+ 3 ( A - kE ) ( kE ) ^{2} + ( kE ) ^{3} \cdots\cdots \text{㉠} AkEA - kE의 역행렬을 BB라 하면 ABAB == ()\square {\left( \text{나} \right)} \cdots\cdots \text{㉡} \text{㉠}의 양변에 BB를 곱하면 ABAB =(AkE)3B+3k(AkE)2B+3k2(AkE)B+k3B= ( A - kE ) ^{3} B + 3 k ( A - kE ) ^{2} B + 3 k ^{2} ( A - kE ) B + k ^{3} B == ()\square {\left( \text{다} \right)}+k2E+k3B+ k ^{2} E + k ^{3} B \cdots\cdots \text{㉢} \text{㉡}\text{㉢}에 의하여 ()\square {\left( \text{나} \right)} == ()\square {\left( \text{다} \right)}+k2E+k3B+ k ^{2} E + k ^{3} B \therefore(kk3)B=( k ^{} - k ^{3} ) B = A2+kAA ^{2} + kA+(k21)E+ ( k ^{2} - 1 ) E 따라서, B=(AkE)1=1k(1k2)A2+11k2A1kE\displaystyle B = ( A - kE ) ^{- 1} = \frac{1}{k ( 1 - k ^{2} )} A ^{2} + \frac{1}{1 - k ^{2}} A - \frac{1}{k} E

위 증명에서 (가), (나), (다)에 알맞은 것은? [3점]

(가)(나)(다)
A4A ^{4} 2kB+E2 kB + EA2+AA ^{2} + A
A4A ^{4}2kB+E2 kB + EA2+kAA ^{2} + kA
A3A ^{3}kB+EkB + EA2+AA ^{2} + A
A3A ^{3}kB+EkB + EA2+kAA ^{2} + kA
A3A ^{3}2kB+E2 kB + EA2+kAA ^{2} + kA
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해설

[출제의도] 역행렬의 성질을 이용하여 추론하기 A2AA ^{2} \ne A이고 A9=A7=AA ^{9} = A ^{7} = A이므로 A=A3A = \square {A ^{3}}이다. A=A =A3=(AkE+kE)3A ^{3} = ( A - kE + kE ) ^{3} =(AkE)3+3(AkE)2kE= ( A - kE ) ^{3} + 3 ( A - kE ) ^{2} kE +3(AkE)(kE)2+(kE)3+ 3 ( A - kE ) ( kE ) ^{2} + ( kE ) ^{3}\cdots\cdots \text{㉠} AkEA - kE의 역행렬을 BB라 하면 AB=AB =kB+E\square {kB + E}\cdots\cdots \text{㉡} \text{㉠}의 양변에 BB를 곱하면 AB=AB =(AkE)3B+3k(AkE)2B+3k2(AkE)B+k3B( A - kE ) ^{3} B + 3 k ( A - kE ) ^{2} B + 3 k ^{2} ( A - kE ) B + k ^{3} B =(AkE)2+3k(AkE)+3k2E+k3B= ( A - kE ) ^{2} + 3 k ( A - kE ) + 3 k ^{2} E + k ^{3} B == A2+kA\square {A ^{2} + kA}+k2E+k3B+ k ^{2} E + k ^{3} B\cdots\cdots \text{㉢} \text{㉡}\text{㉢}에 의하여 kB+E\square {kB + E}==A2+kA\square {A ^{2} + kA}+k2E+k3B+ k ^{2} E + k ^{3} B \therefore(kk3)B=A2+kA+(k21)E( k ^{} - k ^{3} ) B = {A ^{2} + kA} + ( k ^{2} - 1 ) E 따라서 B=(AkE)1B = ( A - kE ) ^{- 1} =1k(1k2)A2+11k2A1kE\displaystyle = \frac{1}{k ( 1 - k ^{2} )} A ^{2} + \frac{1}{1 - k ^{2}} A - \frac{1}{k} E

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