이 수업에서는 완전제곱식 만들기로 이차식의 근의 공식을 유도하고, 판별식과 근과 계수의 관계를 살펴보며, 인수분해 a(x−x1)(x−x2)를 얻는다. 이어서 이 방법을 차수가 2n인 삼항식, 곧 ax2n+bxn+c 꼴의 삼항식으로 치환 u=xn를 이용하여 확장하고, 차수가 4인 삼항식은 판별식이 음수이더라도 인수분해할 수 있음을 보인다.
학습 목표
완전제곱식 만들기로 근의 공식을 유도하고, 이를 인수분해에 적용한다.
판별식을 해석하고, 근과 계수의 관계를 이용한다.
차수가 2n인 삼항식을 치환 u=xn와 곱셈 공식으로 인수분해한다.
이차식이 실수 범위에서 기약인 경우를 판별하고, 판별식이 음수인 차수 4의 삼항식을 인수분해한다.
공의 비행이나 텃밭의 설계처럼 이차방정식으로 이어지는 응용 문제를 세우고, 그 근과 판별식을 문맥 속에서 해석한다.
이차식
이차식은 차수가 2인 다항식이다. 실수 계수 a, b, c를 가지고 a=0일 때, 이렇게 쓴다:
P(x)=ax2+bx+c
이것을 인수분해한다는 것은 두 개의 1차 다항식의 곱으로 쓰는 것이다. 다항식의 대수에 관한 수업에서 공부한 인수정리에 의해, 각 실근 r은 인수 x−r을 준다. 따라서 이차식을 인수분해하는 것은 그 근을 구하는 것과 동치이다. 근을 구하는 방법은 완전제곱식 만들기이다.
정리근의 공식
ax2+bx+c를 이차식이라 하고, a=0라 하자. 모든 실수 x에 대하여 아래의 등식이 성립하며, 이를 완전제곱 꼴이라 한다. 또 b2−4ac≥0이면, 이 다항식의 근은 정확히 수 2a−b±b2−4ac이다.
ax2+bx+c=a[(x+2ab)2−4a2b2−4ac]
발상은 기하학적이다: x2+abx는 한 변이 x인 정사각형의 넓이에 두 변이 x와 ab인 직사각형의 넓이를 더한 것이다. 직사각형을 두 개의 절반으로 나누어 정사각형의 두 변에 붙이면, 한 변이 x+2ab인 더 큰 정사각형을 완성하는 데 모서리 하나만 모자란다.
증명
1
ax2+bx+c=a(x2+abx+ac)
a=0이므로, a를 공통인수로 묶어 낸다.
2
x2+abx=(x+2ab)2−4a2b2
x+2ab의 제곱은 x2, 항 abx, 모서리 4a2b2를 포함한다. 모서리를 빼면 구하는 합이 얻어진다.
3
ax2+bx+c=a[(x+2ab)2−4a2b2−4ac]
괄호 안에 대입하고 상수항을 하나의 분수로 모은다. ac=4a24ac이기 때문이다.
4
ax2+bx+c=0↔(x+2ab)2=4a2b2−4ac
a=0이므로, 다항식은 정확히 대괄호가 영이 될 때 영이 된다.
5
(x+2ab)2−(2ab2−4ac)2=0↔x+2ab=±2ab2−4ac
b2−4ac≥0이면, 수 w=2ab2−4ac는 w2=4a2b2−4ac을 만족하며, 이는 a의 부호와 상관없다. u로 x+2ab를 나타내면, 제곱의 차에 의해 방정식은 (u−w)(u+w)=0이 된다. 그리고 대수 함수에 관한 수업의 곱의 부호에 관한 보조정리에 의해, 실수의 곱은 어느 인수가 영일 때에만 영이다. 그러므로 방정식은 정확히 u=w 또는 u=−w와 동치이다: 근은 하나도 잃지 않고 하나도 더해지지 않는다.