안녕하세요, 수학쟁이 선생님입니다! 고1 학생 여러분, 다항식의 연산은 잘 복습했나요? 오늘은 다항식 단원의 꽃이라고 할 수 있는 '나머지정리'에 대해 배워볼 거예요. 다항식의 나눗셈을 직접 하지 않고도 나머지를 마법처럼 뿅! 하고 구할 수 있는 아주 유용한 정리랍니다. 이 원리를 확장하면 어려운 인수분해도 척척 해낼 수 있게 되죠. 오늘은 미래엔 공통수학 교과서 26페이지부터 30페이지까지의 모든 문제를 함께 풀어보면서 나머지정리의 세계로 빠져봅시다!
본격적으로 문제를 풀기 전에, 이 단원의 핵심 개념들을 머릿속에 확실히 정리하고 가야겠죠?
다항식의 나눗셈을 직접 계산해 봅시다.
계산을 완성하면 몫은 $2x+3$이고, 나머지는 10입니다.
주어진 다항식 $f(x)=2x^2-3x+1$에 $x=3$을 대입해 봅시다.
$f(3)$의 값은 10입니다.
놀랍게도 1번에서 구한 나머지와 $f(3)$의 값이 정확히 일치하죠? 이것이 바로 '나머지정리'의 핵심 원리랍니다! 어떤 다항식 $f(x)$를 $x-a$로 나눈 나머지는 $f(a)$와 같다는 사실, 꼭 기억하세요!
(1) $x-1$
(2) $x+2$
(3) $x-\frac{1}{2}$
나머지정리를 이용하면 나눗셈을 직접 하지 않고도 나머지를 구할 수 있어요. 나누는 식을 0으로 만드는 $x$값을 대입하면 끝!
$x-1=0$, 즉 $x=1$을 $f(x)$에 대입합니다.
따라서 나머지는 4입니다.
$x+2=0$, 즉 $x=-2$를 $f(x)$에 대입합니다.
따라서 나머지는 7입니다.
$x-\frac{1}{2}=0$, 즉 $x=\frac{1}{2}$을 $f(x)$에 대입합니다.
따라서 나머지는 $\frac{3}{4}$입니다.
(1) $2x+1$
(2) $3x-2$
나누는 식이 $ax+b$ 꼴이어도 원리는 같아요. $ax+b=0$을 만드는 $x$값, 즉 $x = -\frac{b}{a}$를 대입하면 됩니다.
$2x+1=0$, 즉 $x=-\frac{1}{2}$을 $f(x)$에 대입합니다.
따라서 나머지는 $\frac{11}{2}$입니다.
$3x-2=0$, 즉 $x=\frac{2}{3}$를 $f(x)$에 대입합니다.
따라서 나머지는 $\frac{20}{3}$입니다.
이 문제는 나머지정리의 활용 문제입니다. 다항식의 나눗셈에 대한 관계식 $A=BQ+R$을 세우는 것이 첫걸음이에요.
다항식 $f(x)$를 이차식 $(x-1)(x+3)$으로 나누었을 때의 몫을 $Q(x)$라고 합시다.
나누는 식이 2차식이므로, 나머지는 최대 1차식인 $ax+b$ 꼴로 놓을 수 있습니다.
문제에서 주어진 두 가지 조건을 나머지정리를 이용하여 식으로 표현해 봅시다.
1단계에서 세운 관계식에 $x=1$과 $x=-3$을 각각 대입합니다.
$x=1$ 대입:
$f(1)=-1$이므로, $\boldsymbol{a+b=-1}$ ... ①
$x=-3$ 대입:
$f(-3)=7$이므로, $\boldsymbol{-3a+b=7}$ ... ②
이제 ①과 ②를 연립하여 $a, b$를 구합니다. ①에서 ②를 빼면:
$a=-2$를 ①에 대입하면 $(-2)+b=-1 \implies b=1$
따라서 우리가 구하려던 나머지 $ax+b$는 $-2x+1$ 입니다.
바로 위 예제와 똑같은 유형의 문제입니다. 배운 대로 차근차근 풀어봅시다.
$f(x)$를 $(x-2)(x+1)$로 나눈 몫을 $Q(x)$, 나머지를 $ax+b$라고 하면 관계식은 다음과 같습니다.
관계식에 $x=2$와 $x=-1$을 대입합니다.
$f(2) = (2-2)(2+1)Q(2) + 2a+b = 2a+b \implies \boldsymbol{2a+b=1}$ ... ①
$f(-1) = (-1-2)(-1+1)Q(-1) -a+b = -a+b \implies \boldsymbol{-a+b=5}$ ... ②
①에서 ②를 빼서 $a$를 구합니다.
$a=-\frac{4}{3}$를 ②에 대입하여 $b$를 구합니다.
따라서 나머지는 $ax+b$는 $-\frac{4}{3}x+\frac{11}{3}$ 입니다.
$x-1, \quad x+1, \quad x-2, \quad x+3$
인수정리를 이용하는 문제입니다. $x-a$가 $f(x)$의 인수가 되려면 $f(a)=0$을 만족해야 해요. 즉, $x$에 값을 대입해서 0이 되는지 확인하면 됩니다.
참고로 $f(x)=x^2-7x+6$을 직접 인수분해하면 $(x-1)(x-6)$이므로, 인수가 $x-1$임을 다시 한번 확인할 수 있죠.
따라서 인수인 것은 $x-1$ 입니다.
'나누어떨어진다'는 말은 '나머지가 0이다'라는 뜻이고, 이것이 바로 인수정리를 사용하라는 강력한 신호입니다!
$f(x)$가 $x-2$로 나누어떨어지므로, 인수정리에 의해 $f(2)=0$이어야 합니다.
$f(x)=x^3+3x^2-2x+a$에 $x=2$를 대입하여 식을 세웁니다.
위 식을 계산하여 $a$의 값을 구합니다.
따라서 상수 $a$의 값은 -16 입니다.
$f(x)$가 $x+1$로 나누어떨어지므로, 인수정리에 의해 $f(-1)=0$ 이어야 합니다.
$f(x)$에 $x=-1$을 대입합시다.
계산하면,
따라서 상수 $a$의 값은 2 입니다.
$f(x)$가 $(x-1)(x+2)$로 나누어떨어진다는 것은, $f(x)$가 $(x-1)$로도 나누어떨어지고, $(x+2)$로도 나누어떨어진다는 의미입니다.
따라서 인수정리를 두 번 사용할 수 있습니다.
1. $f(x)$는 $(x-1)$로 나누어떨어지므로 $\boldsymbol{f(1)=0}$ 입니다.
$f(1) = (1)^3 + a(1)^2 - 3(1) + b = 1 + a - 3 + b = a+b-2=0 \implies \boldsymbol{a+b=2}$ ... ①
2. $f(x)$는 $(x+2)$로 나누어떨어지므로 $\boldsymbol{f(-2)=0}$ 입니다.
$f(-2) = (-2)^3 + a(-2)^2 - 3(-2) + b = -8 + 4a + 6 + b = 4a+b-2=0 \implies \boldsymbol{4a+b=2}$ ... ②
이제 ①과 ②를 연립해서 $a,b$를 구합니다. ②에서 ①을 빼면:
$a=0$을 ①에 대입하면 $0+b=2 \implies b=2$
따라서 상수 $a,b$의 값은 $a=0, b=2$ 입니다.
조립제법을 사용할 때는 계수를 순서대로 쓰고, 없는 차수의 항은 0으로 채워주는 것을 잊지 마세요! 여기서는 $x^2$항이 없으니 계수를 0으로 써야 합니다.
나누는 식이 $x+2$이므로, $x+2=0$을 만드는 $x=-2$를 왼쪽에 씁니다.
-2 | 2 | 0 | -5 | 4 |
-4 | 8 | -6 | ||
2 | -4 | 3 | -2 |
계산 과정은 다음과 같습니다.
마지막에 나온 -2가 나머지이고, 그 앞의 숫자들 2, -4, 3이 몫의 계수입니다.
따라서 몫은 $2x^2 - 4x + 3$이고, 나머지는 -2입니다.
(1) $(x^3+x^2-2x-3) \div (x+3)$
(2) $(2x^3-7x^2-10) \div (x-2)$
$x+3=0$이므로 $x=-3$으로 조립제법을 시행합니다.
-3 | 1 | 1 | -2 | -3 |
-3 | 6 | -12 | ||
1 | -2 | 4 | -15 |
몫: $x^2 - 2x + 4$, 나머지: -15
$x$항의 계수가 0임을 주의해야 합니다. $x-2=0$이므로 $x=2$로 조립제법을 시행합니다.
2 | 2 | -7 | 0 | -10 |
4 | -6 | -12 | ||
2 | -3 | -6 | -22 |
몫: $2x^2 - 3x - 6$, 나머지: -22
이 문제는 조립제법을 사용할 때 가장 주의해야 할 유형입니다! 조립제법은 일차항의 계수가 1인 $(x-a)$ 꼴로 나눌 때 사용하는 방법이에요. 나누는 식이 $2x-1$처럼 $x$의 계수가 1이 아닐 때는 추가 작업이 필요합니다.
먼저 $2x-1=0$을 만족하는 $x=\frac{1}{2}$로 조립제법을 시행합니다.
1/2 | 2 | -1 | 4 | 3 |
1 | 0 | 2 | ||
2 | 0 | 4 | 5 |
이 결과는 주어진 다항식을 $(x-\frac{1}{2})$로 나누었을 때 몫이 $2x^2+4$이고 나머지가 5라는 뜻입니다. 식으로 쓰면 다음과 같아요.
우리가 구하려는 것은 $(2x-1)$로 나눈 몫과 나머지입니다. 위 식을 살짝 변형해 봅시다.
$(x-\frac{1}{2})$에 2를 곱하면 $(2x-1)$이 되죠? 대신 뒤의 몫에는 2를 나누어 주어야 식이 성립합니다.
나머지는 변하지 않는다는 점이 중요해요! 몫만 나누는 식의 $x$의 계수(여기서는 2)로 나누어주면 됩니다.
따라서 몫은 $x^2+2$이고, 나머지는 5입니다.
(1) $(2x^3 - 5x^2 + x + 4) \div (2x+1)$
(2) $(3x^3 + x^2 + x + 2) \div (3x-2)$
예제 4에서 배운 방법을 적용해 봅시다. 조립제법 후, 몫을 $x$의 계수로 나누어주는 것, 잊지 마세요!
$2x+1=0$에서 $x=-\frac{1}{2}$로 조립제법을 시행합니다.
-1/2 | 2 | -5 | 1 | 4 |
-1 | 3 | -2 | ||
2 | -6 | 4 | 2 |
몫으로 나온 $2x^2-6x+4$를 나누는 식의 $x$ 계수인 2로 나누어 줍니다.
실제 몫: $\frac{2x^2-6x+4}{2} = x^2-3x+2$
따라서 몫은 $x^2-3x+2$이고, 나머지는 2입니다.
$3x-2=0$에서 $x=\frac{2}{3}$로 조립제법을 시행합니다.
2/3 | 3 | 1 | 1 | 2 |
2 | 2 | 2 | ||
3 | 3 | 3 | 4 |
몫으로 나온 $3x^2+3x+3$을 나누는 식의 $x$ 계수인 3으로 나누어 줍니다.
실제 몫: $\frac{3x^2+3x+3}{3} = x^2+x+1$
따라서 몫은 $x^2+x+1$이고, 나머지는 4입니다.
오늘 배운 나머지정리와 인수정리는 앞으로 배울 수학 내용의 뼈대가 되는 아주 중요한 개념이에요.
나머지정리를 배울 때 학생들이 자주 헷갈리는 부분과, 실력을 한 단계 업그레이드할 수 있는 팁을 알려드릴게요!
오늘은 다항식의 나눗셈을 훨씬 효율적으로 만들어주는 나머지정리, 인수정리, 그리고 조립제법에 대해 배워봤습니다. 처음에는 조금 낯설 수 있지만, 몇 번만 연습해보면 그 편리함에 놀라게 될 거예요. 특히 인수정리와 조립제법은 다음 단원인 '인수분해'에서 고차식을 정복하는 핵심 열쇠가 됩니다.
오늘 푼 문제 중에 조금이라도 막혔던 부분이 있다면, 꼭 다시 한번 풀어보면서 원리를 완전히 자기 것으로 만드시길 바랍니다. 기초를 탄탄히 다지는 것이 수학 정복의 지름길이니까요. 다음 시간에는 본격적으로 다양한 인수분해 공식과 기술에 대해 알아보겠습니다. 오늘도 수고 많으셨습니다!
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