인수분해
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1. 개요
인수분해는 주어진 수나 식을 더 작은 단위의 곱으로 나타내는 것을 의미하며, 정수의 인수분해, 다항식의 인수분해, 행렬의 인수분해 등 다양한 수학 분야에서 활용된다. 정수의 경우 소인수분해를 통해 유일하게 표현되며, 다항식은 계수의 범위에 따라 인수분해 결과가 달라진다. 특히, 다항식의 인수분해는 방정식 풀이에 유용하며, 인수 정리, 유리수 근, 근과 계수의 관계 등을 활용하여 인수분해할 수 있다. 행렬의 경우 다양한 유형의 분해가 존재하며, 행렬 분해는 특정한 유형의 인수를 찾는 문제로 구성된다. 또한, 유일 인수 분해 정역, 이데알의 소인수 분해 등 추상대수학의 중요한 개념과 연결된다.
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방정식은 수학에서 두 식이 등호로 연결된 형태로, 미지수의 값을 구하는 것을 목표로 하며, 다양한 종류로 분류되어 여러 수학 및 과학 분야에서 활용된다.
인수분해 | |
---|---|
개요 | |
분야 | 수학 |
하위 분야 | 초등 대수학 정수론 다항식 |
관련 항목 | 소인수분해 기약 다항식 인수 정리 약수 인수분해 공식 |
정의 | |
정의 | 어떤 수학적 대상을 더 간단한 대상들의 곱으로 표현하는 것 |
예시 | 15 = 3 × 5 x² − 4 = (x − 2)(x + 2) |
행렬 분해 | |
정의 | 행렬을 여러 행렬의 곱으로 나타내는 것 |
종류 | LU 분해 (LUP 분해) |
추가 정보 | |
영어 | factorization, factoring, decomposition |
관련 개념 | 소인수분해 기약 다항식 인수 정리 약수 인수분해 공식 |
2. 정수의 인수분해
주어진 양의 정수를 그보다 작은 양의 정수들의 곱으로 나타내는 것을 '''인수분해'''라고 하며, 이때 곱해지는 각각의 정수를 원래 정수의 '''인수''' 또는 '''약수'''라고 부른다. 일반적으로 인수에는 1과 자기 자신도 포함된다. 예를 들어, 60을 인수분해하면 10 × 6과 같이 나타낼 수 있고, 72는 6 × 6 × 2 등으로 표현할 수 있다.
인수분해 중에서 특별히 모든 인수가 소수가 되도록 분해하는 것을 '''소인수 분해'''라고 한다. 소수란 1보다 큰 정수 중에서 1과 자기 자신 외에는 약수를 갖지 않는 수를 의미한다. 소인수분해를 통해 나타나는 소수 인수를 원래 정수의 '''소인수'''라고 한다. 예를 들어, 60을 소인수분해하면 2 × 2 × 3 × 5가 되고, 72는 2 × 2 × 2 × 3 × 3으로 소인수분해된다.
산술의 기본 정리에 따르면, 1보다 큰 모든 양의 정수는 곱하는 순서를 고려하지 않으면 유일한 방법으로 소인수분해될 수 있다. 즉, 모든 정수는 고유한 소수들의 곱으로 표현된다.
정수를 소인수분해하는 알고리즘은 여러 가지가 있지만, 매우 큰 정수에 대해서는 효율적인 알고리즘이 아직 알려져 있지 않다. 이러한 계산의 어려움은 현대 암호학에서 중요한 역할을 하며, 특히 안전한 인터넷 통신에 널리 사용되는 RSA 암호 시스템의 보안성의 근간이 된다.
2. 1. 정수 인수분해 알고리즘
산술의 기본 정리에 따르면 1보다 큰 모든 정수는 소수들의 곱으로 유일하게 표현될 수 있다. 여기서 소수는 1보다 큰 정수 중에서 1과 자기 자신 외에는 나누어떨어지는 수가 없는 수를 말한다.정수 ''n''의 소인수 분해를 계산하기 위해서는, 먼저 ''n''의 약수 ''q''를 찾거나 ''n''이 소수인지 판별하는 알고리즘이 필요하다. 만약 약수 ''q''를 찾았다면, 이 알고리즘을 다시 인수 ''q''와 ''n'' / ''q''에 반복적으로 적용하여 결국 ''n''의 완전한 소인수 분해를 얻을 수 있다.[1]
''n''의 약수 ''q''를 찾기 위해서는 1 < ''q''이고 ''q''2 ≤ ''n''인 모든 ''q'' 값을 시험해 보는 것으로 충분하다. 만약 ''r''2 > ''n''인 약수 ''r''이 있다면, ''q'' = ''n'' / ''r'' 역시 ''n''의 약수이며 이때 ''q''2 ≤ ''n''을 만족하기 때문이다.
''q'' 값을 작은 수부터 오름차순으로 시험하면, 처음으로 발견되는 약수는 반드시 소수이다. 그리고 다른 인수 ''r'' = ''n'' / ''q''는 ''q''보다 작은 약수를 가질 수 없다. 완전한 소인수 분해를 얻으려면, 이제 ''q''보다 작지 않고 √''r''보다 크지 않은 ''r''의 약수를 찾아 알고리즘을 계속 진행하면 된다.
이 방법을 적용할 때 모든 가능한 ''q'' 값을 시험할 필요는 없다. 원칙적으로는 소수인 약수만 시험해 보는 것으로 충분하며, 이를 위해 에라토스테네스의 체 등을 이용해 미리 소수 목록을 만들어 둘 수 있다. 하지만 인수분해 과정 자체가 에라토스테네스의 체와 유사한 작업을 수행하므로, 소수인지 아닌지 바로 알 수 없는 수들만 약수로 시험하는 것이 더 효율적일 수 있다. 일반적으로는 먼저 2, 3, 5로 나누어 보고, 이후에는 마지막 자리가 1, 3, 7, 9이고 각 자릿수의 합이 3의 배수가 아닌 수들만 시험해 보는 방식으로 진행할 수 있다.
이 방법은 작은 정수를 인수분해하는 데는 효과적이지만, 매우 큰 정수에 대해서는 비효율적이다. 예를 들어, 피에르 드 페르마는 6번째 페르마 수인 1 + 225 = 1 + 232 = 4,294,967,297가 소수가 아님을 이 방법으로는 밝혀내기 어려웠다. 실제로 이 방법을 적용하려면 10자리 숫자에 대해 10,000번 이상의 나눗셈이 필요하다.
현재는 더 효율적인 인수분해 알고리즘들이 개발되었지만, 여전히 매우 큰 수에 대해서는 비효율적이다. 현재 기술 수준으로는, 무작위로 선택된 두 개의 큰 소수의 곱으로 이루어진 500자리 십진수를 최첨단 컴퓨터로도 인수분해하기 어렵다. 이러한 어려움은 안전한 인터넷 통신에 널리 사용되는 RSA 암호 시스템의 보안성을 보장하는 기반이 된다.
예를 들어, 정수 1386을 소인수분해하는 과정은 다음과 같다.
- 1386은 짝수이므로 2로 나눈다: 1386 = 2 · 693. 이제 693에 대해 계속 진행하며, 첫 번째 약수 후보는 2이다.
- 693은 홀수이므로 2는 약수가 아니다. 각 자릿수의 합(6+9+3=18)이 3의 배수이므로 3으로 나눈다: 693 = 3 · 231. 따라서 ''n'' = 2 · 3 · 231이다. 이제 231에 대해 계속 진행하며, 첫 번째 약수 후보는 3이다.
- 231의 각 자릿수의 합(2+3+1=6)도 3의 배수이므로 3으로 나눈다: 231 = 3 · 77. 따라서 ''n'' = 2 · 32 · 77이다. 이제 77에 대해 계속 진행하며, 첫 번째 약수 후보는 3이다.
- 77은 각 자릿수의 합(7+7=14)이 3의 배수가 아니므로 3으로 나누어지지 않는다. 마지막 자리가 7이므로 5로도 나누어지지 않는다. 다음 소수 후보는 7이다. 77 = 7 · 11이므로, ''n'' = 2 · 32 · 7 · 11이다. 7은 소수이다. 이제 11에 대해 계속 진행하며, 첫 번째 약수 후보는 7이다.
- 72 = 49이고 49 > 11이므로, 더 이상 7 이상의 소수로 나누어 볼 필요가 없다. 따라서 11은 소수이며, 최종 소인수분해는 다음과 같다.
1386 = 2 · 32 · 7 · 11
3. 다항식의 인수분해
다항식을 더 낮은 차수의 다항식들의 곱으로 나타내는 것을 인수분해라고 하며, 이는 전개의 역 과정이다. 예를 들어 는 로 인수분해되고, 이때 과 를 인수라고 한다.
다항식의 계수를 어느 범위(유리수, 실수, 복소수)로 한정하느냐에 따라 인수분해의 결과가 달라질 수 있다. 예를 들어 는 실수 범위에서 로 인수분해되지만, 유리수 범위에서는 인수분해되지 않는다. 복소수 범위에서는 대수학의 기본 정리에 따라 모든 다항식이 일차식의 곱으로 인수분해 가능하다.[2]
인수분해는 대수학에서 식을 다루는 중요한 방법이다. 방정식을 인수분해된 형태 으로 나타내면, 문제를 과 으로 나누어 풀 수 있다. 이는 인수 정리(다항식 에 대해 이면 이 인수)와 관련된다. 또한, 식을 인수분해하면 더 간단한 형태로 표현되어 문제의 구조를 파악하거나 근을 쉽게 찾는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어 는 로 인수분해되어 근이 임을 바로 알 수 있다.
그러나 모든 다항식이 인수분해 가능한 것은 아니며, 인수가 항상 더 간단하지도 않다. (예: )
정수 또는 유리수 계수를 갖는 다항식은 고유 인수분해 속성을 가진다. 즉, 유리수 계수 다항식은 유리수 상수와 정수 계수를 갖는 기약 다항식들의 곱으로 유일하게(순서와 부호 제외) 인수분해될 수 있다.
:
여기서 는 유리수이고 는 원시적인 기약 다항식이다.
다항식을 인수분해하는 구체적인 방법으로는 곱셈 공식 활용, 인수 정리와 조립제법 이용 등 다양한 기법이 있으며, 이는 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.
3. 1. 이차식의 인수분해
이차식 가 주어졌을 때, 이 이차식의 값을 0으로 만드는 두 근 가 있다면 다음과 같이 인수분해된다.:
이 근들은 이차 방정식의 근의 공식을 이용하여 찾을 수 있으며, 이를 통해 이차식을 인수분해할 수 있다.
:
예를 들어, 이차식 를 인수분해해 보자. 이차 방정식 의 근은 근의 공식을 사용하면 다음과 같다.
:
따라서 두 근은 와 이다. 이를 이용하여 인수분해하면 다음과 같다.
:
만약 이차식의 계수 가 모두 실수라면, 판별식 의 값에 따라 인수분해 결과가 달라진다.
- 이면, 서로 다른 두 실근을 가지므로 두 개의 실수 일차식으로 인수분해된다.
- 이면, 중근(하나의 실근)을 가지므로 완전제곱식 형태로 인수분해된다.
- 이면, 실근을 갖지 않으므로 실수 범위에서는 더 이상 인수분해할 수 없다. (단, 복소수 범위에서는 서로 다른 두 허근을 이용하여 인수분해 가능하다.)
근의 공식은 계수가 표수 2가 아닌 모든 체에 속할 때 유효하다.[9]
'''ac 방법'''
정수 계수를 갖는 이차식 가 유리수 근을 갖는지 판별하고 인수분해하는 방법도 있다. 만약 이 이차식이 유리수 근을 가진다면, 그 근은 와 형태로 나타낼 수 있으며, 이때 과 는 다음 두 조건을 만족하는 정수이다.
이 두 조건을 만족하는 정수 를 찾으면, 이차식은 다음과 같이 인수분해된다.
:
이 식을 정리하면 형태가 되기도 한다. (실제 인수분해는 형태로 나타내는 경우가 많다.)
예를 들어, 를 ac 방법으로 인수분해해 보자.
- 이므로 이고 이다.
- 곱해서 36이 되고 더해서 13이 되는 두 정수 는 4와 9이다 (, ).
- 따라서 두 근은 와 이다.
- 인수분해 결과는 다음과 같다.
:
:
3. 2. 고차식의 인수분해
다항식의 계수를 어느 범위(유리수, 실수, 복소수 등)로 한정하느냐에 따라 인수분해의 결과가 달라질 수 있다. 예를 들어, 실수 범위에서는 로 인수분해되지만 는 인수분해되지 않는다. 하지만 복소수 범위까지 확장하면 로 인수분해된다. 대수학의 기본 정리에 따라, 복소수 범위에서는 모든 다항식이 일차식의 곱으로 인수분해될 수 있다.삼차식이나 사차식의 경우 근의 공식을 이용하여 인수분해할 수도 있지만, 계산 과정이 매우 복잡하여 직접 계산하기는 어렵다.
따라서 특수한 형태의 고차식은 곱셈 공식을 활용하여 인수분해하는 경우가 많다. 자주 사용되는 공식은 다음과 같다.
- (소피 제르맹 항등식)
예를 들어, 마지막 공식을 이용하면 1보다 큰 모든 정수 ''n''에 대해 이 소수가 아님을 보일 수 있다.[13]
- ''n''이 짝수이면 도 짝수이므로 합성수이다. (단, n=0일 때 1은 제외)
- ''n''이 홀수이면 (k는 0 이상의 정수)로 둘 수 있다. 이때 이므로, 로 두면 공식을 적용하여 인수분해할 수 있다. 두 인수는 모두 1보다 크므로 은 합성수이다.
또한, 와 같이 짝수 차수 항만 있는 다항식(복이차식)은 로 치환하여 이차식처럼 인수분해하거나, 적절한 항을 더하고 빼서 꼴로 변형하여 합차 공식을 적용할 수도 있다.
위와 같은 특별한 공식이나 방법이 적용되지 않는 일반적인 고차식은 인수 정리와 조립제법을 이용하여 인수분해할 수 있다.
인수 정리에 따르면, 다항식 에 대해 을 만족하는 값 (근)를 찾으면 는 의 인수가 된다. 정수 계수 다항식의 경우, 는 주로 '(상수항의 약수) / (최고차항 계수의 약수)' 형태의 유리수 중에서 찾을 수 있다.
인수를 찾은 후에는 조립제법이나 다항식 나눗셈을 이용하여 원래 다항식을 해당 인수로 나누어 몫을 구하고, 이 몫에 대해 다시 인수분해를 시도한다. 이 과정을 더 이상 인수분해할 수 없을 때까지 반복한다.
예를 들어 을 인수분해해 보자.
- 1단계: 이므로, 은 의 인수이다. 조립제법을 이용하여 를 로 나누면 몫은 이 된다.
- 2단계: 몫인 에 대해 다시 인수 정리를 적용한다.
이므로, 는 의 인수이다. 조립제법으로 를 로 나누면 몫은 이다.
- 3단계: 마지막으로 이차식 을 인수분해하면 이다.
결과적으로 처음의 사차식은 다음과 같이 인수분해된다.
3. 3. 인수분해 공식
다항식을 두 개 이상의 인수의 곱으로 나타내는 것을 인수분해라고 한다. 이는 전개의 역 과정으로 볼 수 있다. 예를 들어, 를 전개하면 가 되고, 반대로 를 인수분해하면 가 된다. 이때 과 를 의 인수라고 한다.다항식의 계수를 어느 범위의 수까지 허용하느냐에 따라 인수분해의 결과는 달라질 수 있다.
대수학의 기본 정리에 따르면, 복소수 범위에서는 모든 복소계수 다항식이 일차식들의 곱으로 항상 인수분해될 수 있다.
이차식 의 경우, 이 식의 값을 0으로 만드는 두 근 를 알면 와 같이 인수분해할 수 있다. 이차방정식의 근의 공식을 이용하면 이 근을 계수로 표현할 수 있다.
:
삼차식이나 사차식의 경우에도 근의 공식을 이용한 인수분해가 이론적으로는 가능하지만, 계산 과정이 매우 복잡하여 실제로는 잘 사용되지 않는다. 대신 특수한 형태의 고차식에 적용할 수 있는 다양한 곱셈 공식을 역으로 활용하는 경우가 많다. 예를 들어 세제곱의 합/차 공식, 세 변수의 세제곱 공식, 복이차식 관련 공식 등이 있다. 이러한 공식들이 적용되지 않는 경우에는 인수정리와 조립제법 등을 시도해 볼 수 있다.
인수분해는 대수학에서 식을 다루는 기본적인 방법 중 하나이며, 여러 가지 이유로 중요하다. 예를 들어, 방정식 을 푸는 문제는 인수분해를 통해 또는 이라는 두 개의 더 간단한 문제를 푸는 것으로 바꿀 수 있다. 또한 식을 인수분해하면 더 간단한 형태로 표현되어 문제의 구조를 파악하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 라는 복잡한 식은 로 인수분해되어 곱셈과 뺄셈 횟수가 줄어들 뿐만 아니라, 다항식의 근이 임을 즉시 알 수 있게 해준다.
하지만 모든 다항식이 항상 인수분해 가능한 것은 아니며, 인수분해되더라도 그 인수가 반드시 더 간단한 형태가 되는 것도 아니다. 예를 들어, 은 로 인수분해되지만, 두 번째 인수는 여전히 복잡하다.
자주 사용되는 구체적인 인수분해 공식들은 차수에 따라 분류할 수 있으며, 자세한 내용은 아래 하위 섹션에서 다룬다.
3. 3. 1. 2차식
- (완전제곱식)
- (합차 공식)
3. 3. 2. 3차식
곱셈 공식을 역으로 이용하여 3차식을 인수분해할 수 있다. 자주 사용되는 공식은 다음과 같다. 모든 공식에서 복부호 동순이 적용된다.- '''완전 세제곱 공식'''
- *
- *
- '''기타 공식'''
- *
- **
- *
이러한 공식으로 인수분해되지 않는 경우, 인수정리와 조립제법을 이용하여 인수분해를 시도할 수 있다.
3. 3. 3. 4차식
4차식의 경우에도 3차식과 마찬가지로 근의 공식을 이용할 수 있지만, 계산 과정이 매우 복잡하여 직접 계산하기는 어렵다. 따라서 특수한 형태의 4차식에 적용할 수 있는 곱셈 공식이나 항등식을 이용하는 경우가 많다.다음은 자주 사용되는 4차식 관련 인수분해 공식이다.
만약 와 같이 짝수 차수 항만 존재하는 복이차식 형태인 경우, 로 치환하여 2차식으로 만든 뒤 인수분해하거나, 적절히 항을 더하고 빼서 꼴로 변형하여 제곱의 차 공식을 적용할 수 있다.
예를 들어, 소피 제르맹 항등식 을 이용하면, 1보다 큰 모든 정수 ''n''에 대해 이 항상 합성수임을 보일 수 있다. (헝가리 Kürschák 경시대회 1978년 문제)[13]
- ''n''이 짝수이면 은 짝수이고, 이므로 이다. 따라서 합성수이다.
- ''n''이 홀수이면, (k는 1 이상의 정수) 로 둘 수 있다. 이때 이므로, 로 놓고 소피 제르맹 항등식을 적용하면 다음과 같다.
이때 이므로 두 인수 모두 정수이고, 이다. 따라서 인 홀수에 대해서도 은 항상 두 1보다 큰 정수의 곱으로 표현되므로 합성수이다. (단, 일 경우 로 소수이다.)
단위근을 이용하여 일반적인 형태의 을 인수분해할 수도 있다. 4차식의 경우 다음과 같은 실수 인수분해가 가능하다.
유리수 계수를 갖는 인수분해를 원할 경우 원분 다항식을 이용한다.
- 는 유리수 범위에서는 더 이상 인수분해되지 않는다 ().
4. 다항식 인수분해의 활용
식을 조작하는 것은 대수학의 기본이며, 인수분해는 여러 이유로 식 조작에서 가장 중요한 방법 중 하나이다.
크게 두 가지 측면에서 유용하게 활용된다.
첫째, 방정식 풀이에 효과적이다. 만약 방정식을 과 같이 인수분해된 형태로 나타낼 수 있다면, 원래의 방정식을 푸는 문제는 과 이라는 두 개의 독립적이고 일반적으로 더 간단한 문제를 푸는 것으로 바뀐다. 특히 대수 방정식 을 푸는 것은 다항식 를 인수분해하는 문제와 밀접하게 연관된다. 대수학의 기본 정리에 따르면, 복소수 계수를 가진 차 다항식은 개의 일차식 ()의 곱으로 인수분해될 수 있으며, 이때 는 다항식의 근이다.[2] 즉, 다항식의 근을 찾는 것은 그 다항식을 일차식 인수로 분해하는 것과 같다. (근과 인수의 관계에 대한 자세한 내용은 인수 정리 섹션 참조)
둘째, 식을 간단하게 만들어 문제 해결에 대한 통찰력을 제공한다. 복잡한 다항식도 인수분해를 통해 훨씬 간결한 형태로 표현될 수 있다. 예를 들어,
:
라는 식은 16번의 곱셈, 4번의 뺄셈, 3번의 덧셈이 필요하지만, 이를 인수분해하면
:
와 같이 곱셈 2번과 뺄셈 3번만으로 계산할 수 있는 훨씬 간단한 형태가 된다. 또한, 인수분해된 형태는 이 다항식의 근이 임을 즉시 보여준다.
하지만 인수분해가 항상 가능한 것은 아니며, 가능하더라도 그 인수가 반드시 더 간단한 형태가 되는 것은 아니다. 예를 들어, 은 두 개의 기약 다항식 과 로 인수분해될 수 있다.
인수분해 결과는 어떤 수의 범위(유리수, 실수, 복소수)에서 생각하느냐에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 은 유리수 범위에서는 으로 인수분해되지만, 실수 범위에서는 까지 인수분해된다. 마찬가지로 은 유리수 범위에서는 이지만, 복소수 범위에서는 로 더 인수분해된다.
식을 조작하여 문제를 해결하는 체계적인 방법은 9세기 알콰리즈미의 저서 ''완성과 균형에 의한 계산 요약서''까지 거슬러 올라간다. 그러나 이차 방정식 풀이에 인수분해를 명시적으로 사용한 것은 해리엇이 1631년에 출판한 저서 ''Artis Analyticae Praxis ad Aequationes Algebraicas Resolvendas''에서 나타난다.[3][4]
현대에는 컴퓨터 대수 시스템을 이용하여 복잡한 다항식의 인수분해도 효율적으로 수행할 수 있다. 인수분해를 위한 다양한 구체적인 방법들(예: 인수 정리, 유리수 근 찾기, 근과 계수의 관계 활용 등)은 다른 섹션에서 자세히 다룬다.
4. 1. 인수 정리
인수 정리는 어떤 다항식 에 대하여 을 만족하는 값 (즉, 다항식의 근)을 알고 있을 때, 이 의 인수임을 알려주는 정리이다.[2] 즉, 이면 다음과 같이 인수분해가 가능하다.:
여기서 는 를 로 나눈 몫에 해당하는 다항식이다. 몫 는 다항식 나눗셈이나 조립제법을 이용하여 구할 수 있다.
: 이고, 라고 하면, 계수들 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다. ()
:
따라서 인수 정리는 다항식의 근을 알고 있거나 추측할 수 있을 때 인수분해에 유용하게 사용될 수 있다. 다항식 의 값을 0으로 만드는 의 값(근) 를 찾으면, 는 의 인수가 된다.
예를 들어, 다항식 의 경우, 모든 계수의 합이 이므로 이 근임을 쉽게 알 수 있다. 따라서 은 의 인수이다. 조립제법 등을 이용하면 몫이 임을 알 수 있으므로, 다음과 같이 인수분해된다.
:
다른 예로, 을 인수분해해 보자. 이 식에 을 대입하면 이므로, 이 인수임을 알 수 있다. 다항식 나눗셈이나 조립제법을 이용하면 다음과 같다.
:
이렇게 얻어진 몫 에 대해서도 인수 정리를 반복하여 적용할 수 있다. 예를 들어 를 대입하면 이므로, 도 인수임을 알 수 있다.
4. 2. 유리수 근
유리수 계수를 갖는 다항식의 경우, 유리수 근을 찾는 방법이 있다. 먼저, 다항식의 계수가 모두 유리수일 때, 적절한 유리수를 곱하여 모든 계수를 정수로 만들 수 있다. 이를 원시 부분-내용 인수분해라고 하며, 유리수 근을 찾는 문제를 계수가 정수인 다항식의 경우로 단순화한다. 예를 들어,:
와 같이 변형하면, 괄호 안의 다항식은 모든 계수가 정수이며 계수들의 최대공약수가 1인 원시다항식이 된다. 이제 계수가 정수인 원시다항식의 유리수 근을 찾으면 된다.
계수가 정수인 다항식 (단, ) 이 유리수 근 (여기서 ''p''와 ''q''는 서로소인 정수이고 )를 갖는다고 하자. 유리수 근 정리에 따르면, 분자 ''p''는 상수항 의 약수여야 하고, 분모 ''q''는 최고차항의 계수 의 약수여야 한다.
따라서 가능한 유리수 근의 후보는 의 약수들을 의 양의 약수들로 나눈 값들로 한정된다. 이 유한 개의 후보들을 다항식에 직접 대입하여 이 되는지 확인하면 유리수 근을 찾을 수 있다.[7]
예를 들어, 다항식 의 유리수 근 를 찾아보자.
- 상수항 의 약수 ''p''는 이다.
- 최고차항 계수 의 양의 약수 ''q''는 이다.
- 가능한 유리수 근 후보 는 이다.
- 이므로 일 때 이다. 따라서 음수 근은 존재하지 않는다.
- 양수 후보 를 대입하여 검사한다.
- 따라서 는 이 다항식의 유일한 유리수 근이다.
인수 정리에 따라 는 의 인수이다. 또는 을 인수로 갖는다고 할 수 있다. 조립제법이나 다항식 나눗셈을 이용하여 인수분해하면 다음과 같다.
:
이차 인수 는 판별식 이므로 실수 범위에서는 더 이상 인수분해되지 않으며, 따라서 유리수 근도 더 이상 존재하지 않는다.
특히 이차 다항식 (a, b, c는 정수)의 경우, 이 방법은 ac 방법으로 알려진 형태로 적용될 수 있다.[8] 만약 이 이차 다항식이 유리수 근 를 갖는다면, 비에타의 공식에 의해 두 근의 합은 이고 두 근의 곱은 이다. 곱이 이고 합이 인 두 정수 를 찾으면 (), 두 근은 와 가 된다. 이를 이용하여 인수분해할 수 있다.
예를 들어, 을 인수분해해 보자.
- 이므로 이다.
- 곱해서 36이 되고 합해서 이 되는 두 정수를 찾는다. 이고 이므로, 이다.
- 근은 와 이다.
- 인수분해는 다음과 같다.
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4. 3. 근과 계수의 관계
이차식 의 값을 0으로 만드는 두 근 가 있다면, 이 이차식은 근과 계수의 관계를 이용하여 다음과 같이 인수분해할 수 있다.:
예를 들어, 을 인수분해한다고 하자. 전개식 를 역으로 이용하여, 합()이 5이고 곱()이 6이 되는 두 수 를 찾는다. 이 두 수는 2와 3이므로, 으로 인수분해된다.
또한 이차 방정식의 근의 공식을 이용하여 근 를 직접 구해서 인수분해할 수도 있다.
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다항식의 근들 사이에 특별한 관계가 알려진 경우, 이를 인수분해에 활용할 수 있다. 예를 들어, 다항식 의 두 근 과 가 (여기서 는 다항식)라는 관계를 만족한다고 하자. 그러면 은 과 의 공통 근이 된다. 따라서 와 의 최대공약수를 구하면 의 인수를 찾을 수 있다. 이 최대공약수는 유클리드 호제법을 이용하여 계산할 수 있다.
예를 들어, 다항식 의 두 근의 합이 0이라고 가정해 보자 (). 이 경우 이므로, 와 의 최대공약수를 찾는다. 유클리드 호제법을 적용하면, 첫 단계로 와 를 더하여 나머지를 구하면 을 얻는다. 은 의 인수이다. 를 으로 나누면 몫은 이고 나머지는 0이다. 따라서 다음과 같이 완전히 인수분해된다.[10]
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이처럼 근과 계수 사이의 관계를 체계적으로 연구하는 이론으로는 비에타의 공식을 포함하는 갈루아 이론이 있다.
5. 행렬의 인수분해
행렬환은 가환적이지 않으며, 행렬의 곱셈 결과는 유일한 인수분해를 보장하지 않는다. 즉, 하나의 행렬을 다른 행렬들의 곱으로 나타내는 방법은 일반적으로 여러 가지가 존재할 수 있다. 따라서 행렬의 인수분해는 주어진 행렬을 특정한 종류의 행렬들의 곱으로 나타내는 것을 목표로 한다.
예를 들어, LU 분해는 어떤 행렬을 하삼각 행렬 L과 상삼각 행렬 U의 곱(LU)으로 나타내는 방법이다. 하지만 LU 분해는 모든 행렬에 대해 항상 가능한 것은 아니며, 이 경우 순열 행렬 P를 추가하여 LUP 형태로 분해하는 것을 고려한다. 더 다양한 종류의 행렬 인수분해에 대해서는 행렬 분해 문서를 참고할 수 있다.
한편, 0과 1로 이루어진 논리 행렬은 이진 관계를 표현하는 데 사용될 수 있다. 이 경우 행렬 곱셈은 관계의 합성에 해당하며, 논리 행렬의 인수분해는 해당 관계의 특성(예: 쌍함수적 관계)을 파악하는 데 활용될 수 있다.
6. 유일 인수분해 정역
정수환 '''Z''' 및 체 ''K'' 위의 다항식환 ''K''[''X'']은 유일 인수 분해가 가능하다는 중요한 성질을 공유한다. 이는 0이 아니고 단위원(정수의 경우 ±1)이 아닌 모든 원소가 기약원(정수의 경우 소수)의 곱으로 분해될 수 있으며, 그 분해가 인자들의 순서를 바꾸거나 인자들에 단위원들을 곱하는 차이를 제외하고는 유일하다는 것을 의미한다. 이러한 성질을 가지는 정역을 유일 인수 분해 정역(Unique Factorization Domain, UFD)이라고 부른다.[1][11][12]
유일 인수 분해 정역(UFD)에서는 0이 아니고 단위원이 아닌 임의의 두 원소에 대해 최대공약수가 항상 존재한다. 반대로, 임의의 두 원소에 대해 최대공약수가 존재하는 GCD 정역이라고 해서 항상 UFD인 것은 아니다. 모든 주 이상 정역(Principal Ideal Domain, PID)은 UFD이다.
정수환 '''Z'''과 유사하게 유클리드 나눗셈이 정의되는 정역을 유클리드 정역이라고 한다. 모든 유클리드 정역은 주 이상 정역(PID)이며, 따라서 유일 인수 분해 정역(UFD)이 된다. 유클리드 정역에서는 유클리드 호제법을 사용하여 최대공약수를 계산할 수 있다. 그러나 유클리드 정역이라고 해서 항상 효율적인 인수 분해 알고리즘이 존재하는 것은 아니다. 예를 들어, 특정 체 ''F'' 위의 다항식환 ''F''[''X'']는 유클리드 정역이지만, 그 안의 다항식을 인수 분해하는 일반적인 알고리즘이 존재하지 않는 경우가 있다.
유일 인수 분해 정역(UFD)에서는 기약 원소와 소원소(prime element)의 개념이 사실상 동일하다. 즉, 어떤 원소가 기약 원소이면 동시에 소원소이기도 하다.
7. 이데알의 소인수 분해
대수적 정수론에서는 디오판토스 방정식을 연구하면서 19세기에 수학자들이 정수를 일반화한 대수적 정수라는 개념을 도입하게 되었다. 초기에 연구된 대수적 정수환인 가우스 정수나 아이젠슈타인 정수는 일반적인 정수처럼 주 아이디얼 정역(PID)이었고, 따라서 유일 인수분해가 성립하는 유일 인수 분해 정역(UFD)이었다.
하지만 곧 대부분의 대수적 정수환에서는 유일 인수분해가 성립하지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 예를 들어, 라는 환에서는 다음과 같이 9를 두 가지 방식으로 기약원의 곱으로 나타낼 수 있다.
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여기서 3, , 는 모두 기약원이다.
이렇게 정수에서는 당연하게 여겨졌던 유일 인수분해가 대수적 정수환에서는 성립하지 않는다는 점은 디오판토스 방정식을 푸는 데 큰 어려움을 주었다. 페르마의 마지막 정리에 대한 많은 잘못된 증명들이 이러한 유일 인수분해가 성립한다고 암묵적으로 가정했기 때문에 오류를 범하기도 했다. (페르마가 남긴 유명한 메모 "정말 놀라운 증명을 발견했지만, 여백이 부족하여 적지 못한다" 역시 이러한 가정에 기반했을 가능성이 있다.)
이러한 어려움은 데데킨트에 의해 해결되었다. 그는 대수적 정수환에서는 정수 대신 아이디얼을 사용하면 유일 인수분해가 성립한다는 것을 보였다. 즉, 이러한 환의 모든 아이디얼은 소 아이디얼들의 곱으로 유일하게 표현될 수 있다(곱하는 순서는 고려하지 않음). 이렇게 아이디얼의 유일 인수분해 성질을 갖는 정역을 데데킨트 정역이라고 부른다. 데데킨트 정역은 대수적 정수론에서 매우 중요한 역할을 하며 여러 중요한 성질들을 가지고 있다.
참조
[1]
서적
An Introduction to the Theory of Numbers
https://archive.org/[...]
Oxford Science Publications
[2]
간행물
[3]
간행물
A Short History of Mathematics
Read Books
[4]
서적
Artis Analyticae Praxis ad Aequationes Algebraicas Resolvendas
https://books.google[...]
Apud Robertum Barker, typographum regium
[5]
간행물
[6]
간행물
[7]
간행물
[8]
웹사이트
AC Method
http://mathworld.wol[...]
2014-11-12
[9]
문서
[10]
간행물
[11]
블로그
arXiv探訪 2016-09-27 22.一意分解整域
https://arxiv.hatena[...]
[12]
간행물
FACTORIZATION IN INTEGRAL DOMAINS
http://alpha.math.ug[...]
[13]
서적
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