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Completing the square

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Animation depicting the process of completing the square. (Details, animated GIF version)

기초 대수학(elementary algebra)에서 제곱식을 완성(completing the square)은 다음 형식

이차 다항식(quadratic polynomial)을, 어떤 값 hk에 대해, 다음 형식으로 변환하는 것에 대해 기법입니다:

.

제곱식을 완성은 다음에서 사용됩니다:

수학에서, 제곱식을 완성은 이차 다항식을 포함하는 임의의 계산에 자주 적용됩니다.

Overview

Background

이항(binomial)제곱(square)을 계산하는 것에 대해 기초 대수학(elementary algebra)에서 공식은 다음입니다:

예를 들어:

임의의 완전 제곱에서, x계수(coefficient)는 숫자 p의 두 배이고, 상수 항(constant term)p2과 같습니다.

Basic example

다음 이차 다항식(polynomial)을 생각해 보십시오:

이 이차식은 완전 제곱식이 아닌데, 왜냐하면 28은 5의 제곱이 아니기 때문입니다:

어쨌든, 원래 이차를 이 제곱과 상수의 합으로 쓸 수 있습니다:

이것은 제곱식을 완성으로 불립니다.

General description

임의의 일계수(monic) 이차식이 주어지면:

같은 처음 두 항을 가지는 제곱식을 형성하는 것이 가능합니다:

이 제곱식은 원래 이차식과 오직 상수 항의 값에서 다릅니다. 그러므로, 우리는 다음을 쓸 수 있습니다:

여기서 입니다. 이 연산은 제곱식을 완성으로 알려져 있습니다. 예를 들어:

Non-monic case

다음 형식의 이차 다항식이 주어지면:

계수 a를 인수로 묶어내고, 그런-다음 결과 일계수 다항식(monic polynomial)에 대해 제곱식을 완성하는 것이 가능합니다.

예제:

이것은 다음 형식에서 임의의 이차 다항식을 쓸 수 있도록 허용합니다:

Formula

Scalar case

제곱식을 완성한 결과는 공식으로 쓸 수 있습니다. 일반적인 경우에 대해:[1]

구체적으로 특별히, a = 1일 때:

Matrix case

행렬 사례는 매우 유사합니다:

여기서 대칭(symmetric)이어야 합니다.

만약 가 대칭이 아니면, 에 대해 공식은 다음으로 일반화되어야 합니다:

.

Relation to the graph

Graphs of quadratic functions shifted to the right by h = 0, 5, 10, and 15.
Graphs of quadratic functions shifted to the right by h = 0, 5, 10, and 15.
Graphs of quadratic functions shifted upward by k = 0, 5, 10, and 15.
Graphs of quadratic functions shifted upward by k = 0, 5, 10, and 15.
Graphs of quadratic functions shifted upward and to the right by 0, 5, 10, and 15.
Graphs of quadratic functions shifted upward and to the right by 0, 5, 10, and 15.

해석 기하학(analytic geometry)에서, 임의의 이차 함수(quadratic function)의 그래프는 xy-평면에서 포물선(parabola)입니다. 다음 형식의 이차 다항식이 주어지면

숫자 hk는 포물선의 꼭짓점(vertex) (또는 정류점(stationary point))의 데카르트 좌표(Cartesian coordinates)로 해석될 수 있습니다. 즉, h는 대칭의 축의 x-좌표이고 (즉, 대칭의 축은 방정식 x = h를 가지고) k는 이차 함수의 최솟값(minimum value)입니다 (만약 a < 0이면 최댓값입니다).

이것을 보이기 위한 한 방법은 함수 ƒ(x) = x2의 그래프가 꼭짓점이 원점 (0, 0)에 있는 포물선임을 주목하는 것입니다. 그러므로, 함수 ƒ(x − h) = (x − h)2의 그래프는, 제일-위 그림에서 보이는 것처럼, 꼭짓점이 (h, 0)에 있는 h만큼 오른쪽으로 이동된 포물선입니다. 반대로, 함수 ƒ(x) + kx2 + k의 그래프는, 중앙 그림에서 보인 것처럼, 꼭짓점이 (0, k)에 있는 k만큼 위쪽으로 이동된 포물선입니다. 수평 및 수직 이동 둘 다를 결합하면 ƒ(x − h) + k = (x − h)2 + k는,아래 그림에서 보이는 것처럼, 꼭짓점이 (hk)에 있는 k만큼 오른쪽으로 h만큼 위쪽으로 이동된 포물선을 산출합니다.

Solving quadratic equations

제곱식을 완성하는 것은 임의의 이차 방정식(quadratic equation)을 풀기 위해 사용할 수 있습니다. 예를 들면:

첫 번째 단계는 제곱식을 완성하는 것입니다:

다음으로 우리는 제곱된 형식에 대해 풉니다:

그런-다음 다음의 둘이고

따라서

이것은 임의의 이차 방정식에 적용될 수 있습니다. x2이 1 이외의 계수를 가질 때, 첫 번째 단계는 방정식을 이 계수로 나누는 것입니다: 예를 들어 아래의 비-일계수 경우를 참조하십시오.

Irrational and complex roots

만약 근이 유리수(rational)이면 오직 신뢰할 수 있는, 방정식 인수화(factoring)와 관련된 방법과 달리, 제곱식을 완성하는 것은 심지어 근이 무리수 (irrational) 또는 복소수(complex)일 때 이차 방정식의 근을 찾을 것입니다. 예를 들어, 다음 방정식을 생각해 보십시오:

제곱식을 완성하는 것은 다음을 제공합니다:

따라서

그런 다음 다음 둘입니다:

간결한 언어에서:

따라서

복소수 근을 갖는 방정식은 같은 방식으로 처리될 수 있습니다. 예를 들어:

Non-monic case

비-일계수 이차를 포함하는 방정식에 대해, 그들을 풀기 위한 첫 번째 단계는 x2의 계수로 나누는 것입니다. 예를 들어:

이 절차를 이차 방정식의 일반적인 형식에 적용하면 이차 공식(quadratic formula)으로 이어집니다.

Other applications

Integration

제곱식을 완성하는 것은 다음 형식의 임의의 적분을 평가하기 위해 사용될 수 있습니다:

다음 기본 적분을 사용합니다:

예를 들어, 다음 적분을 생각해 보십시오:

분모에서 제곱식을 완성하는 것은 다음을 제공합니다:

이것은 이제 치환(substitution) u = x + 3을 사용함으로써 평가될 수 있으며, 이것은 다음을 산출합니다:

Complex numbers

다음 표현을 생각해 보십시오:

여기서 zb복소수(complex number)이고, z*b*는, 각각, zb복소수 켤레(complex conjugate)이고, c실수(real number)입니다. 항등식 |u|2 = uu*을 사용하여 우리는 이것을 다음으로 다시-쓸 수 있을 것입니다:

이것은 분명히 실수 양입니다. 이것은 다음이기 때문입니다:

또 다른 예제로써, 다음 표현은:

여기서 a, b, c, x, 및 y는 실수이며, a > 0 및 b > 0와 함께, 복소수의 절댓값(absolute value)의 제곱의 관점에서 표현될 수 있습니다. 다음을 정의합니다:

그런-다음

따라서

Idempotent matrix

행렬(matrix) MM 2 = M일 때 거듭상등(idempotent)입니다. 거듭상등 행렬은 0과 1의 거듭상등 속성을 일반화합니다. 다음 방정식의 제곱식 방법의 완성은

어떤 거듭상등 2 × 2 행렬이 (a,b)-평면에서 원(circle)에 의해 매개-변수화됨을 보여줍니다:

행렬 이라는 조건으로 거듭상등일 것이며, 이것은, 제곱식을 완성하는 것에 의존하여, 다음이 됩니다:

(a,b)-평면에서, 이것은 중심 (1/2, 0)과 반지름 1/2을 갖는 원의 방정식입니다.

Geometric perspective

다음 방정식에 대해 제곱식을 완성을 생각해 보십시오:

x2이 길이 x의 변을 가진 정사각형의 넓이를 나타내고, bx는 변 bx를 가진 직사각형의 넓이를 나타내므로, 제곱식을 완성하는 과정은 직사각형의 시각적 조작으로 보일 수 있습니다.

x2bx 직사각형을 더 큰 정사각형으로 결합하려는 간단한 시도는 누락된 구석을 초래합니다. 위의 방정식의 각 변에 더해진 항 (b/2)2는 정확하게 용어 "정사각형을 완성"을 도출할 때, 누락된 가장자리의 넓이입니다.

A variation on the technique

전통적으로 가르치듯이, 제곱식을 완성하는 것은 제곱식을 얻기 위해, 다음 식

에 세 번째 항, v 2을 더하는 것으로 구성됩니다. 역시 우리는 제곱식을 얻기 위해, 다음 식

에 중간 항, 2uv 또는 −2uv 중 하나를 더할 수 있는 경우가 있습니다.

Example: the sum of a positive number and its reciprocal

다음을 씀으로써

우리는 양수 x와 그의 역수의 합이 항상 2보다 크거나 같다는 것을 봅니다. 실수 표현의 제곱은 항상 영보다 크거나 같으며, 이것은 정해진 경계를 제공합니다; 그리고 여기서 우리는 단지 x가 1일 때 2를 달성하여, 제곱식이 사라지게 합니다.

Example: factoring a simple quartic polynomial

다음 다항식을 인수화하는 문제를 생각해 보십시오:

즉,

그래서 중간 항은 2(x2)(18) = 36x2입니다. 따라서 우리는 다음을 얻습니다:

(마지막 줄은 단지 항의 감소하는 차수의 관례를 따르기 위해 추가된 것입니다).

References

  1. ^ Narasimhan, Revathi (2008). Precalculus: Building Concepts and Connections. Cengage Learning. pp. 133–134. ISBN 0-618-41301-4., Section Formula for the Vertex of a Quadratic Function, page 133–134, figure 2.4.8

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