복잡한 수(큰 수)의 나눗셈의 나머지를 구하는 원리 및 방법 (고1 수학 다항식, 나머지정리의 활용)
교과서에 설명된 나머지정리의 활용 (자료 출처: 미래엔 수학)
안녕하세요? holymath입니다. 이 카테고리의 포스팅은 2015개정 고등학교 1학년 수학의 개념을 보다 쉽고 자세히 이해할 수 있도록 해설하는 글입니다.수학을 공부할 때는 공식과 문제 푸는 요령을 외워서 푸는 게 아니라 개념이 만들어진 근본적인 원리와 개념들 사이의 연관성을 생각하면서 공부해야 합니다. 이 포스팅을 통해 교과서나 참고서에 있는 수학 개념을 제대로 이해하는데 도움이 되기를 바랍니다.
이전 포스팅에서 나머지정리의 원리를 알아봤었습니다. 이 나머지정리를 잘 활용하면 직접 계산으로는 풀 수 없는 복잡한 수를 어떤 수로 나누었을 때의 나머지를 쉽게 구하는 것이 가능해집니다. 여기에서는 그 원리와 요령을 알아보겠습니다.
●교과서 문제 해설
먼저 서두에 소개된 교과서의 문제를 살펴보겠습니다.
교과서에 설명된 나머지정리의 활용 (자료 출처: 미래엔 수학)
활동1, 2, 3에서 하라는 대로 따라가다 보면 을 로 나눈 나머지를 어렵지 않게 구해낼 수 있습니다. 핵심 원리는 나머지정리를 활용하기 위해 주어진 수에서 특정 부분을 문자로 치환한 다음 다항식의 나눗셈과 항등식의 원리를 이용하는 겁니다.
활동1에서 제시된 다음의 식에 을 대입함으로써 임을 구할 수 있습니다.
그다음 활동2에서 몫 를 구하기 위해 식 로부터 을 로 나누어야 하는데 이때 조립제법을 이용할 수 있습니다. 이때, 나누려는 피제다항식이 무려 10차이므로 다음과 같이 계수 11개를 나열하되 첫 번째 수는 , 마지막 수는 이고 나머지 계수들은 모두 으로 둔다는 것에 유의합니다.
위의 계산에 의해 구하는 는
이제 이 식에서 을 대입하면 를 구할 수 있게 되는데 다항식 는 계수들과 상수항이 모두 이므로 이 자연수라는 사실을 확인할 수 있습니다.
이제 활동3에 의해 처음 구한 항등식에서 을 대입하면
이 되어 은 로 나타내어짐을 알 수 있죠. 이때, 은 자연수이므로을 로 나눈 나머지는 이 됨을 알 수 있습니다.
지금 풀어본 문제는 자연수의 나눗셈이므로 이 몫이 됩니다. 따라서 계산 과정에서 이 자연수라는 사실을 확인하는 절차가 필요했다는 것을 알 수 있고요. 이 문제에서는 구한 이 곧 구하는 나머지가 되었는데 나머지는 0보다 작지 않으면서 2017보다는 작아야 하므로 이 범위에 속하지 않았다면 추가로 나눠주거나 나눈 것을 되가져오는 방식으로 나머지의 범위를 맞추는 과정 또한 필요합니다.
● 제수를 한 문자로 치환한 풀이
위의 풀이에서 말고 제수인 을 로 치환하면 이 되고 다음과 같이 풀 수 있어요.
을 로 나눈 몫과 나머지를 각각 , 이라 하면
위의 식은 항등식이므로 양변에 을 대입하면 이 되고 을 다시 대입하면 다음 식을 얻을 수 있습니다.
아까와 비슷한 식이 등장했고 여기서 을 로 나눈 나머지가 임을 입증하려면 이 자연수임을 확인해야 합니다. 그런데 위에서 유도한 식 의 좌변을 전개하면 계수가 모두 자연수인 다항식이 되고 특히, 최고차항의 계수 및 상수는 임을 알 수 있어요. 그리고 우변에도 상수 이 있으므로
은 양변이 상수항이 없는 다항식이 됩니다. 따라서 식 는 좌변 에서 각 항별로 차수만 하나씩 낮춘 식이 되므로 역시 계수가 모두 자연수 다항식이 됩니다. 따라서 은 자연수가 됩니다.
이러한 원리를 이해할 수 있으면 조립제법과 같은 나눗셈을 일일이 하지 않고도 원하는 나머지를 쉽게 구할 수 있어요. 따라서 이러한 문제가 등장하면 피제수에서 치환할 문자를 찾는 것보다는 제수 자체를 한 문자로 치환하는 풀이가 좀 더 유리합니다.
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● 나머지 구하는 원리의 일반화
이제 위의 풀이를 일반화하기 위해 정수 과 자연수 를 가정하고 계수가 정수인 다항식 에 대하여 을 로 나눈 나머지를 구하는 상황을 생각해 보겠습니다. 예를 들어 위의 교과서 문제의 경우는 , 이고 으로 생각하여 을 로 나눈 나머지를 구하는 문제로 볼 수 있었죠.
바로 위에서 푼 것과 같이 제수인 를 문자 로 놓고 시작합니다. 그리고 을 가 포함된 식으로 나타내기 위해 다음과 같이 가정합니다. 여기서 , 는 정수입니다.
이제 을 로 나눈 나머지를 구하기 위해 를 로 나눈 나머지를 구하는 상황을 생각합니다.
여기서 는 다항식이죠. 다항식 를 로 나눈 몫과 나머지를 각각 , 이라 하면 다음의 식을 유도할 수 있어요. 또한, 이 식은 에 대한 항등식이므로 을 양변에 대입하여 의 값도 바로 구할 수 있습니다.
,
이 식에다 다시 와 를 대입하면
여기서 의 값이 구하는 나머지임을 확신할 수는 없지만, 적어도 을 로 나눈 나머지는 을 로 나눈 나머지와 일치한다는 사실은 확인할 수 있어요.
따라서 이 결과는 다음과 같이 정리할 수 있습니다.
복잡한 정수를 자연수로 나눈 나머지
자연수 , 정수 , , 계수가 정수인 다항식 에 대하여 정수 를 로 나눈 나머지는 를 로 나눈 나머지와 일치한다.
여기서 다항식 는 우리가 원하는 어떠한 형태든 가능합니다. 따라서 이 원리를 이용하면 를 로 나눈 나머지를 구하기 위해 를 로 바꿔서 문제를 풀 수 있게 되죠. 이때 의 값이 최대한 작도록 수를 변형해 주는 것이 계산 부담을 덜어주는 포인트입니다. 그리고 이 과정은 계속해서 반복할 수 있기 때문에 결국 아무리 복잡한 수를 제시해도 나머지정리를 잘 이용하면 어떤 자연수로 나눈 나머지는 어렵지 않게 구할 수 있음을 의미하게 됩니다.
●정수의 나눗셈
학교에서는 나눗셈의 몫과 나머지를 배울 때 자연수를 자연수로 나누는 경우만 다루었는데 위의 원리를 자유롭게 이용할 수 있으려면 피제수의 대상을 자연수에서 정수로 확장할 필요가 있습니다.
예를 들어 12를 5로 나눈다고 할 때 몫은 2, 나머지도 2가 나옵니다. 이때, 5로 나누었을 때 나머지가 똑같이 2가 되는 수는 7도 있고 2도 있죠. 이들을 몫과 나머지로 표현하면 다음과 같습니다. 식에서 하늘색으로 표시한 값이 몫이 되죠.
여기에서 끝나는 게 아니라 몫이 음수가 나오는 경우도 생각하면 피제수의 범위를 다음과 같이 음의 정수까지 확장할 수 있습니다.
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