여러 가지 방정식과 부등식

이차방정식까지는 근의 공식이라는 정해진 길이 있었지만, 차수가 높아지거나 식이 여러 개가 되면 한 가지 공식으로는 풀 수 없다. 이 단원에서는 인수분해로 차수를 낮추는 방법, 문자 하나를 없애는 방법, 조건을 동시에 만족하는 범위를 찾는 방법을 배운다. 모든 풀이에 흐르는 생각은 하나다. 처음 보는 문제를 이미 풀 수 있는 꼴로 바꾼다.

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개념 정리

삼차방정식과 사차방정식의 기본 전략은 인수분해다. 곱이 0이면 적어도 한 인수가 0이라는 성질을 이용해 차수를 낮춘다. 예를 들어 x3=4xx^3=4x는 양변을 xx로 나누지 말고 x3−4x=0x^3-4x=0, 곧 x(x−2)(x+2)=0x(x-2)(x+2)=0으로 바꾸어 x=0, 2, −2x=0,\ 2,\ -2를 얻는다. 인수분해가 바로 보이지 않으면 인수정리를 쓴다. 어떤 수 aa를 대입해 P(a)=0P(a)=0이 되면 x−ax-a가 P(x)P(x)의 인수다. x3−2x2−5x+6=0x^3-2x^2-5x+6=0에서 상수항 66의 약수를 대입해 보면 P(1)=0P(1)=0이므로, 조립제법으로 나누어 (x−1)(x2−x−6)=0(x-1)(x^2-x-6)=0, 곧 (x−1)(x−3)(x+2)=0(x-1)(x-3)(x+2)=0이 되어 근은 1, 3, −21,\ 3,\ -2다. 삼차방정식이라고 해서 실근이 늘 세 개인 것은 아니다. x3−1=0x^3-1=0은 (x−1)(x2+x+1)=0(x-1)(x^2+x+1)=0이 되는데, x2+x+1=0x^2+x+1=0은 판별식이 음수이므로 실근은 11 하나이고 나머지 두 근은 허근이다.
사차방정식은 인수분해 공식이나 인수정리, 치환으로 풀 수 있는 경우를 다룬다. x2x^2에 대한 식으로만 이루어진 것은 치환으로 차수를 낮춘다. x4−5x2+4=0x^4-5x^2+4=0에서 x2=tx^2=t로 두면 t2−5t+4=0t^2-5t+4=0, 곧 (t−1)(t−4)=0(t-1)(t-4)=0이므로 t=1t=1 또는 t=4t=4다. 여기서 끝내면 안 된다. x2=1x^2=1, x2=4x^2=4로 되돌려 x=±1, ±2x=\pm1,\ \pm2를 얻는다. 치환한 식이 인수분해되지 않을 때는 식을 두 제곱의 차로 바꾸어 본다. x4+x2+1=(x2+1)2−x2=(x2+x+1)(x2−x+1)x^4+x^2+1=(x^2+1)^2-x^2=(x^2+x+1)(x^2-x+1)로 인수분해한 뒤 두 이차방정식을 각각 푼다.
연립이차방정식은 문자 하나를 없애 한 문자의 방정식으로 바꾼다. 일차식이 있으면 한 문자에 대해 정리해 이차식에 대입한다. x+y=3, x2+y2=5x+y=3,\ x^2+y^2=5에서 y=3−xy=3-x를 대입하면 2x2−6x+4=02x^2-6x+4=0이므로 x=1x=1 또는 x=2x=2이고, 짝이 되는 yy를 일차식에서 구하면 해는 (1, 2)(1,\ 2), (2, 1)(2,\ 1)이다. 두 식이 모두 이차식이면 인수분해되는 식이 있는지 먼저 본다. x2−3xy+2y2=0x^2-3xy+2y^2=0은 (x−y)(x−2y)=0(x-y)(x-2y)=0이므로 x=yx=y인 경우와 x=2yx=2y인 경우로 나누어 다른 식에 각각 대입하고, 두 경우의 해를 모두 모은다.
연립일차부등식의 해는 각 부등식을 모두 만족하는 공통 범위다. 2x−1>32x-1>3과 x+4≥3x−2x+4\ge 3x-2를 풀면 각각 x>2x>2, x≤3x\le 3이므로 해는 2<x≤32<x\le 3이다. 수직선에 두 해를 함께 그려 겹치는 부분을 찾으면 실수가 줄어든다. A<B<CA<B<C 꼴은 A<BA<B와 B<CB<C의 연립이다. x−1<2x+1≤x+5x-1<2x+1\le x+5는 x−1<2x+1x-1<2x+1에서 x>−2x>-2, 2x+1≤x+52x+1\le x+5에서 x≤4x\le 4이므로 −2<x≤4-2<x\le 4다.
절댓값은 수직선에서 원점까지의 거리이고, ∣x−a∣|x-a|는 xx와 aa 사이의 거리다. 그래서 b>0b>0일 때 ∣x−a∣<b|x-a|<b는 a−b<x<a+ba-b<x<a+b, ∣x−a∣>b|x-a|>b는 x<a−bx<a-b 또는 x>a+bx>a+b다. 예를 들어 ∣x−2∣<3|x-2|<3의 해는 −1<x<5-1<x<5다. 절댓값이 두 개 이상이면 기호 안이 00이 되는 값을 경계로 범위를 나눈다. ∣x−2∣+∣x+1∣<5|x-2|+|x+1|<5는 x<−1x<-1, −1≤x<2-1\le x<2, x≥2x\ge 2로 나누어 풀면 각각 −2<x<−1-2<x<-1, −1≤x<2-1\le x<2, 2≤x<32\le x<3을 얻고, 이를 합친 −2<x<3-2<x<3이 해다. 범위마다 구한 해는 그 범위와 겹치는 부분만 남긴다는 점을 잊지 않는다.
이 단원의 도구들은 뒤에서 계속 쓰인다. 인수정리와 조립제법은 미분과 적분에서 다항함수의 그래프가 xx축과 만나는 점을 구할 때 다시 나오고, 연립방정식의 해는 두 그래프의 교점으로 해석된다. 연립부등식의 공통 범위와 절댓값 부등식의 경우 나누기는 이차부등식, 연립이차부등식을 풀 때 같은 방식으로 이어진다.

자주 하는 착각

삼차방정식과 사차방정식

  1. x³=4x의 양변을 x로 나누어 x²=4로 만들고 x=2, x=−2만 답한다. 이차방정식에서 식을 간단히 하던 습관으로 문자를 약분하듯 나누기 때문이다. x로 나눌 수 있는 것은 x가 0이 아닐 때뿐이라, 나누는 순간 x=0이라는 근을 잃는다. 모든 항을 한쪽으로 옮겨 x(x−2)(x+2)=0으로 인수분해하면 근은 0, 2, −2 세 개다.
  2. 삼차방정식은 서로 다른 실근을 항상 세 개 가진다고 본다. 이차방정식의 근이 두 개라고 외운 것이 차수만큼 실근이 있다는 생각으로 번지기 때문이다. 이 단원에서 다루는 계수가 실수인 삼차방정식에서도 실근의 개수는 문제마다 다르고, 중근이나 허근이 나올 수 있다. x³−1=0은 인수분해하면 실근 1과 허근 두 개를 가진다.
  3. 근을 찾을 때 1과 −1만 넣어 보고, 둘 다 근이 아니면 인수정리로는 풀 수 없다고 본다. 교과서 예제의 근이 대부분 ±1이기 때문이다. 계수가 모두 정수이고 상수항이 0이 아닌 방정식에서 정수인 근이 있다면 그 근은 상수항의 약수 가운데 있다. 최고차항의 계수가 1이 아니면 상수항의 약수를 최고차항 계수의 약수로 나눈 꼴의 수까지 후보가 된다.
  4. x²=t로 치환해 t의 값을 구한 뒤 그 값을 그대로 x의 답으로 적는다. 치환한 식을 푸는 데 집중하다 처음 구하려던 것이 x라는 점을 놓치기 때문이다. 치환은 식을 단순하게 보기 위한 임시 이름이므로 t를 구한 뒤 반드시 x로 되돌려야 하며, t 하나에서 x가 두 개씩 나올 수 있다. t가 음수로 나오면 그에 해당하는 x는 허수이므로 실근만 묻는 문제에서는 제외한다.

연립이차방정식

  1. 연립이차방정식에서 x의 값만 구하고 끝내거나, 구한 x를 이차식에 넣어 y를 구하다 해가 아닌 쌍을 섞는다. 이차방정식처럼 근을 나열하던 습관 때문이다. 연립방정식의 해는 두 식을 동시에 만족하는 x와 y의 쌍이다. x+y=3, x²+y²=5에서 x=1을 이차식에 넣으면 y=2와 y=−2가 나오지만 (1, −2)는 첫 식을 만족하지 않는다. 짝이 되는 y는 일차식에서 구한다.
  2. x²−3xy+2y²=0을 (x−y)(x−2y)=0으로 인수분해한 뒤, x=y와 x=2y가 동시에 성립해야 한다고 보고 둘을 연립한다. 곱이 0이라는 조건을 '그리고'로 읽기 때문이다. 곱이 0이면 적어도 하나의 인수가 0이라는 뜻이므로 x=y인 경우와 x=2y인 경우로 나누어, 각각을 나머지 식에 대입해 풀고 얻은 해를 모두 모은다.

연립일차부등식

  1. 연립일차부등식의 해를 두 부등식의 해를 합친 범위로 답하거나, 겹치는 범위가 없으면 계산이 틀렸다고 여긴다. 각 부등식을 푸는 데 집중해 '동시에 만족'이라는 조건을 놓치기 때문이다. 연립부등식의 해는 두 부등식을 모두 만족하는 공통 범위다. 겹치는 부분이 없으면 해가 없고, x≥3과 x≤3처럼 경계에서만 만나면 해는 x=3 하나뿐이다.
  2. A<B<C 꼴의 부등식을 A<B와 A<C로 나누어 푼다. 왼쪽 식을 기준으로 삼아 가운데 식이 두 번 쓰인다는 구조를 보지 않기 때문이다. A<B<C는 A<B이고 B<C라는 뜻이므로 A<B와 B<C를 연립한다. x가 가운데 식에만 있으면 세 변에 같은 계산을 해도 되지만, 그렇지 않으면 반드시 둘로 나누어 푼다.

절댓값을 포함한 일차부등식

  1. |x−a|<b를 x−a<b 하나로만 풀거나, |x−a|>b를 a−b<x<a+b처럼 가운데로 묶는다. 절댓값 기호를 괄호처럼 떼어 버리기 때문이다. b가 양수일 때 |x−a|<b는 수직선에서 a까지의 거리가 b보다 작은 x이므로 a−b<x<a+b이고, |x−a|>b는 거리가 b보다 큰 x이므로 x<a−b 또는 x>a+b이다.
  2. 절댓값 기호 안의 식의 부호에 따라 범위를 나누어 푼 뒤, 각 범위에서 얻은 해를 그 범위와 견주지 않고 그대로 모은다. 범위 나누기를 절댓값을 벗기는 절차로만 여기기 때문이다. 각 범위에서 구한 해는 그 범위를 전제로 얻은 것이므로 범위와 겹치는 부분만 남겨야 하고, 마지막에 범위마다 남은 해를 합친다. 경계가 되는 값도 빠짐없이 어느 한 범위에 넣는다.

이런 오개념, 나도 갖고 있을까?

x³=4x의 양변을 x로 나누면 x²=4가 되므로 이 방정식의 근은 x=2와 x=−2뿐이다.정답 보기

X (흔한 오개념이에요)

이차방정식을 풀 때 양변을 문자로 나누어 식을 간단히 만들던 습관이 있어서, 삼차방정식에서도 자연스럽게 양변을 x로 나누기 쉬워요. 그런데 x로 나눌 수 있는 것은 x가 0이 아닐 때뿐이라, 나누는 순간 x=0이라는 근이 빠져 버려요. 실제로는 모든 항을 한쪽으로 옮겨 인수분해하는 방법을 써야 근을 하나도 빠뜨리지 않고 구할 수 있어요.
계수가 실수인 삼차방정식에서 실근의 개수는 문제마다 다르며, 중근이나 허근이 나올 수 있다.정답 보기

O (맞는 설명이에요)

이차방정식의 근이 두 개라고 배우다 보면, 차수만큼 실근이 존재한다고 자연스럽게 받아들이기 쉬워요. 실제로는 삼차방정식이라도 실근이 하나뿐이거나 중근이 생기는 경우가 있고, 나머지 근이 허근으로 나올 수 있어요. 예를 들어 x³−1=0을 인수분해하면 실근은 1 하나뿐이고, 나머지 두 근은 허근이에요.
인수정리를 이용해 근을 찾을 때 1과 −1만 대입해 보면 충분하다.정답 보기

X (흔한 오개념이에요)

교과서 예제에서 근이 ±1인 경우가 많다 보니, 1과 −1만 확인하면 된다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 정수인 근의 후보가 상수항의 약수 전체이므로, ±1 외에 다른 약수들도 빠짐없이 대입해 보아야 해요. 또한 최고차항의 계수가 1이 아닌 경우에는 상수항의 약수를 최고차항 계수의 약수로 나눈 꼴의 수까지 후보로 고려해야 해요.

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