Lesson 2.2

근과 계수의 관계

Vieta's Formulas — Relations between Roots and Coefficients

두 근의 실제 값을 직접 구하지 않고도, 그 합과 곱을 계수만으로 즉시 알 수 있다. $\alpha + \beta = -\dfrac{b}{a}$, $\alpha\beta = \dfrac{c}{a}$ — 1591년 프랑수아 비에트가 발견한 이 두 줄의 관계가 이차방정식 활용의 가장 강력한 도구다.

Vieta's Formulas

이차방정식 $ax^2 + bx + c = 0$ 의 두 근을 $\alpha, \beta$ 라 할 때:

두 근의 합
$\alpha + \beta = -\dfrac{b}{a}$
두 근의 곱
$\alpha \cdot \beta = \dfrac{c}{a}$
— François Viète, 1591
Hook · 도입
"두 근을 직접 구하지 않고도, 두 근의 합과 곱을 알 수 있을까?"

$x^2 - 5x + 6 = 0$ 의 두 근은 $2, 3$. 합은 $5$, 곱은 $6$ — 정확히 일차항 계수에 마이너스를 붙인 값과 상수항이다. 이것이 우연일까?

$x^2 - 5x + 6 = 0$ → 두 근 2, 3 → 합 = 5 = $-(-5)/1$, 곱 = 6 = $6/1$ ✓
$x^2 + 3x - 10 = 0$ → 두 근 −5, 2 → 합 = −3 = $-3/1$, 곱 = −10 = $-10/1$ ✓
$2x^2 - 7x + 3 = 0$ → 두 근 3, 1/2 → 합 = 7/2 = $-(-7)/2$, 곱 = 3/2 = $3/2$ ✓
Core · 유도

두 가지 방법으로 유도하기

Two Derivations

유도 1 — 인수분해 방식

이차방정식 $ax^2 + bx + c = 0$ 의 두 근이 $\alpha, \beta$ 라면, 좌변은 다음과 같이 인수분해된다.

$ax^2 + bx + c = a(x - \alpha)(x - \beta)$
출발 — 두 근이 $\alpha, \beta$
$\;\;\;\; = a\{x^2 - (\alpha+\beta)x + \alpha\beta\}$
우변 전개
$\;\;\;\; = ax^2 - a(\alpha+\beta)x + a\alpha\beta$
$a$ 를 곱해 분배
계수 비교 : $-a(\alpha+\beta) = b$,   $a\alpha\beta = c$
$x$ 계수와 상수항 비교
$\alpha + \beta = -\dfrac{b}{a}, \;\;\; \alpha\beta = \dfrac{c}{a}$
정리

유도 2 — 근의 공식에서 직접

근의 공식으로부터 두 근을 적은 뒤 합과 곱을 계산해도 같은 결과가 나온다.

$\alpha = \dfrac{-b + \sqrt{D}}{2a}, \;\; \beta = \dfrac{-b - \sqrt{D}}{2a}$
근의 공식 ($D = b^2-4ac$)
$\alpha + \beta = \dfrac{(-b+\sqrt{D}) + (-b-\sqrt{D})}{2a} = \dfrac{-2b}{2a} = -\dfrac{b}{a}$
합 — $\sqrt{D}$ 상쇄
$\alpha \beta = \dfrac{(-b)^2 - (\sqrt{D})^2}{(2a)^2} = \dfrac{b^2 - D}{4a^2}$
곱 — 합·차의 곱
$\;\;\;\; = \dfrac{b^2 - (b^2 - 4ac)}{4a^2} = \dfrac{4ac}{4a^2} = \dfrac{c}{a}$
$D$ 대입 후 약분
두 유도가 정확히 같은 결과 — 비에트의 관계가 우연이 아니라 이차방정식의 본질에서 따라 나오는 것임을 보여준다.
Apply · 대칭식

대칭식의 계산 — 합과 곱만 알면 된다

Symmetric Expressions

대칭식이란 — $\alpha, \beta$ 를 바꿔도 같은 식

$\alpha^2 + \beta^2$, $\dfrac{1}{\alpha} + \dfrac{1}{\beta}$, $(\alpha - \beta)^2$ 등은 $\alpha, \beta$ 의 순서를 바꿔도 값이 변하지 않는다. 이런 식을 대칭식이라 하며, 합 $\alpha+\beta$ 와 곱 $\alpha\beta$ 만 알면 모두 계산할 수 있다.

대칭식합·곱으로 표현유도 키
$\alpha^2 + \beta^2$ $(\alpha+\beta)^2 - 2\alpha\beta$ $(\alpha+\beta)^2 = \alpha^2 + 2\alpha\beta + \beta^2$
$(\alpha-\beta)^2$ $(\alpha+\beta)^2 - 4\alpha\beta$ $(\alpha-\beta)^2 = (\alpha+\beta)^2 - 4\alpha\beta$
$\dfrac{1}{\alpha}+\dfrac{1}{\beta}$ $\dfrac{\alpha+\beta}{\alpha\beta}$ 통분 — 분모 $\alpha\beta$
$\alpha^2\beta + \alpha\beta^2$ $\alpha\beta(\alpha+\beta)$ 공통인수 $\alpha\beta$ 묶기
$\dfrac{\beta}{\alpha}+\dfrac{\alpha}{\beta}$ $\dfrac{\alpha^2+\beta^2}{\alpha\beta} = \dfrac{(\alpha+\beta)^2 - 2\alpha\beta}{\alpha\beta}$ 통분 후 분자 변형
핵심. $\alpha+\beta$ 와 $\alpha\beta$ 두 값만 알면, 두 근을 실제로 구하지 않고도 거의 모든 대칭식을 계산할 수 있다 — 무리수 해라도 마찬가지.

예시 — $x^2 - 5x + 6 = 0$ 의 두 근 $\alpha, \beta$ 에 대해

1
합과 곱을 먼저 구한다

$\alpha + \beta = 5, \;\; \alpha\beta = 6$

2
$\alpha^2 + \beta^2$ 의 값
$(\alpha+\beta)^2 - 2\alpha\beta = 25 - 12 = 13$
3
$(\alpha-\beta)^2$ 의 값
$(\alpha+\beta)^2 - 4\alpha\beta = 25 - 24 = 1$
4
$\dfrac{1}{\alpha}+\dfrac{1}{\beta}$ 의 값
$\dfrac{\alpha+\beta}{\alpha\beta} = \dfrac{5}{6}$
Apply · 식 만들기

두 근으로 이차방정식 만들기 — 역방향 활용

Building an Equation from Roots

두 근 $\alpha, \beta$ 가 주어졌을 때

$x^2 - (\alpha + \beta) x + \alpha\beta = 0$

$x^2$ 의 계수가 $1$ 인 이차방정식은 — "$x^2 - $ (두 근의 합) $\cdot x + $ (두 근의 곱) $= 0$" — 이라는 공식으로 즉시 만들 수 있다.

  • 예) 두 근이 $2, 3$ → 합 5, 곱 6 → $x^2 - 5x + 6 = 0$
  • 예) 두 근이 $-1, 4$ → 합 3, 곱 −4 → $x^2 - 3x - 4 = 0$
  • 예) 두 근이 $1+\sqrt{2}, 1-\sqrt{2}$ → 합 2, 곱 $1-2=-1$ → $x^2 - 2x - 1 = 0$
관찰. 두 근이 무리수여도, 그 합과 곱이 유리수면 — 만들어지는 방정식의 계수는 유리수가 된다.
Interactive · 계산기

근과 계수 관계 계산기

Vieta Calculator

$a, b, c$ 를 입력하면 두 근의 합·곱과 5가지 대칭식을 즉시 계산한다.

Quick Check · 즉문즉답

5문제 즉시 점검

Five Rapid Questions
Q1. $x^2 - 5x + 6 = 0$ 의 두 근의 합은?
Q2. $x^2 - 5x + 6 = 0$ 의 두 근의 곱은?
Q3. $x^2 + 3x - 7 = 0$ 의 두 근의 합은?
Q4. $x^2 - 5x + 6 = 0$ 의 두 근을 $\alpha, \beta$ 라 할 때 $\alpha^2 + \beta^2$ 의 값은?
Q5. 두 근이 $3, 4$ 인 이차방정식($x^2$ 계수 1)을 만들어라. (예: x^2-7x+12=0)
Examples · 예제

풀이가 있는 두 예제

Worked Examples
예제 1

$2x^2 - 3x - 7 = 0$ 의 두 근을 $\alpha, \beta$ 라 할 때 $\alpha^2 + \beta^2$ 의 값을 구하라.

근을 직접 구하지 않고, 합·곱을 이용한 대칭식 공식 사용.
  1. $a = 2, b = -3, c = -7$
  2. 합 $\alpha + \beta = -\dfrac{b}{a} = -\dfrac{-3}{2} = \dfrac{3}{2}$
  3. 곱 $\alpha\beta = \dfrac{c}{a} = \dfrac{-7}{2}$
  4. $\alpha^2 + \beta^2 = (\alpha+\beta)^2 - 2\alpha\beta = \left(\dfrac{3}{2}\right)^2 - 2\cdot\left(-\dfrac{7}{2}\right)$
  5. $= \dfrac{9}{4} + 7 = \dfrac{9}{4} + \dfrac{28}{4} = \dfrac{37}{4}$
  6. 결과 → $\dfrac{37}{4}$
예제 2

$x^2 + (a-3)x + 2a = 0$ 의 두 근의 합이 $5$ 일 때, 두 근의 곱을 구하라.

미정 계수 $a$ 를 먼저 구한 뒤, 곱을 계산.
  1. 두 근의 합 $= -(a-3) = 5$ → $a - 3 = -5$ → $a = -2$
  2. $a = -2$ 대입 → 방정식 : $x^2 + (-2-3)x + 2(-2) = 0$ → $x^2 - 5x - 4 = 0$
  3. 두 근의 곱 $= \dfrac{-4}{1} = -4$
  4. 결과 → $-4$
Practice · 연습

난이도별 연습 8문제

Eight Graded Problems
01

$x^2 - 7x + 10 = 0$ 의 두 근의 합을 구하라.

02

$x^2 - 7x + 10 = 0$ 의 두 근의 곱을 구하라.

03★★

$2x^2 + 3x - 1 = 0$ 의 두 근의 합을 구하라.

04★★

$2x^2 + 3x - 1 = 0$ 의 두 근의 곱을 구하라.

05★★

$x^2 - 7x + 10 = 0$ 의 두 근을 $\alpha, \beta$ 라 할 때 $\alpha^2 + \beta^2$ 의 값을 구하라.

06★★

$x^2 - 7x + 10 = 0$ 의 두 근을 $\alpha, \beta$ 라 할 때 $(\alpha - \beta)^2$ 의 값을 구하라.

07★★★

두 근이 $7, -2$ 인 이차방정식($x^2$ 계수 1)을 만들어라. (예: x^2-5x-14=0)

08★★★

두 근이 $2 + \sqrt{5}, 2 - \sqrt{5}$ 인 이차방정식($x^2$ 계수 1)을 만들어라.

비에트의 통찰 — 풀지 않고도 안다

근을 직접 구하는 대신 합과 곱만으로 식의 값을 알아내는 것 — 이 우아한 통찰이 비에트가 1591년에 발견한 정리다. 무리수 해여도, 분수 해여도, 합과 곱이라는 두 숫자만 알면 거의 모든 것이 계산된다. 다음 차시에서는 이차방정식을 실제 수와 도형 문제에 적용한다.

"Vieta saw the soul of the equation in its symmetric functions." — paraphrasing modern algebra