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복잡한 수(큰 수)의 나눗셈의 나머지를 구하는 원리 및 방법 (고1 수학 다항식, 나머지정리의 활용)

고1 수학의 남다른 개념/다항식

by holymath 2023. 5. 25. 14:35

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복잡한 수(큰 수)의 나눗셈의 나머지를 구하는 원리 및 방법 (고1 수학 다항식, 나머지정리의 활용)

교과서 나머지정리 문제
교과서에 설명된 나머지정리의 활용 (자료 출처: 미래엔 수학)

 

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 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.

교과서 나머지정리 문제
교과서에 설명된 나머지정리의 활용 (자료 출처: 미래엔 수학)

활동1, 2, 3에서 하라는 대로 따라가다 보면 2018102017로 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 x=1을 대입함으로써 R=1임을 구할 수 있습니다.

    x10=(x1)Q(x)+R
    x10=(x1)Q(x)+1

그다음 활동2에서 몫 Q(x)를 구하기 위해 식 x101=(x1)Q(x)로부터 x101x1로 나누어야 하는데 이때 조립제법을 이용할 수 있습니다. 이때, 나누려는 피제다항식이 무려 10차이므로 다음과 같이 계수 11개를 나열하되 첫 번째 수는 1, 마지막 수는 1이고 나머지 계수들은 모두 0으로 둔다는 것에 유의합니다.

조립제법

위의 계산에 의해 구하는 Q(x)

    Q(x)=x9+x8++x+1

이제 이 식에서 x=2018을 대입하면 Q(2018)를 구할 수 있게 되는데 다항식 Q(x)는 계수들과 상수항이 모두 1이므로 Q(2018)이 자연수라는 사실을 확인할 수 있습니다.

이제 활동3에 의해 처음 구한 항등식에서 x=2018을 대입하면

    201810=2017×Q(2018)+1

이 되어 2018102017×Q(2018)+1로 나타내어짐을 알 수 있죠. 이때, Q(2018)은 자연수이므로 2018102017로 나눈 나머지는 1이 됨을 알 수 있습니다.

지금 풀어본 문제는 자연수의 나눗셈이므로 Q(2018)이 몫이 됩니다. 따라서 계산 과정에서 Q(2018)이 자연수라는 사실을 확인하는 절차가 필요했다는 것을 알 수 있고요. 이 문제에서는 구한 R=1이 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 2018말고 제수인 2017x로 치환하면 2018=x+1이 되고 다음과 같이 풀 수 있어요.

(x+1)10x로 나눈 몫과 나머지를 각각 Q(x), R이라 하면

  (x+1)10=xQ(x)+R

위의 식은 항등식이므로 양변에 x=0을 대입하면 R=1이 되고 x=2017을 다시 대입하면 다음 식을 얻을 수 있습니다.

  201810=2017×Q(2017)+1

아까와 비슷한 식이 등장했고 여기서 2018102017로 나눈 나머지가 1임을 입증하려면 Q(2017)이 자연수임을 확인해야 합니다. 그런데 위에서 유도한 식 (x+1)10=xQ(x)+1의 좌변을 전개하면 계수가 모두 자연수인 다항식이 되고 특히, 최고차항의 계수 및 상수는 1임을 알 수 있어요. 그리고 우변에도 상수 1이 있으므로

  (x+1)101=xQ(x)

양변이 상수항이 없는 다항식이 됩니다. 따라서 식 Q(x)는 좌변 (x+1)101에서 각 항별로 차수만 하나씩 낮춘 식이 되므로 역시 계수가 모두 자연수 다항식이 됩니다. 따라서 Q(2017)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 m과 자연수 k를 가정하고 계수가 정수인 다항식 f(t)에 대하여 f(m)k로 나눈 나머지를 구하는 상황을 생각해 보겠습니다. 예를 들어 위의 교과서 문제의 경우는 m=2018, k=2017이고 f(t)=t10으로 생각하여 f(m)=201810k=2017로 나눈 나머지를 구하는 문제로 볼 수 있었죠.

바로 위에서 푼 것과 같이 제수인 k를 문자 x로 놓고 시작합니다. 그리고 mk=x가 포함된 식으로 나타내기 위해 다음과 같이 가정합니다. 여기서 a, b는 정수입니다.

  m=ak+b=ax+b

이제 f(m)k로 나눈 나머지를 구하기 위해 f(ax+b)x로 나눈 나머지를 구하는 상황을 생각합니다.

여기서 f(ax+b)는 다항식이죠. 다항식 f(ax+b)x로 나눈 몫과 나머지를 각각 Q(x), R이라 하면 다음의 식을 유도할 수 있어요. 또한, 이 식은 x에 대한 항등식이므로 x=0을 양변에 대입하여 R의 값도 바로 구할 수 있습니다.

  f(ax+b)=xQ(x)+Rf(b)=R

이 식에다 다시 x=km=ak+b를 대입하면

  f(m)=f(ak+b)=kQ(k)+f(b)

여기서 f(b)=R의 값이 구하는 나머지임을 확신할 수는 없지만, 적어도 f(m)k로 나눈 나머지는 f(b)=Rk로 나눈 나머지와 일치한다는 사실은 확인할 수 있어요.

따라서 이 결과는 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

복잡한 정수를 자연수로 나눈 나머지
자연수 k, 정수 a, b, 계수가 정수인 다항식 f(x)에 대하여 정수 f(ak+b)k로 나눈 나머지는 f(b)k로 나눈 나머지와 일치한다.

여기서 다항식 f(x)는 우리가 원하는 어떠한 형태든 가능합니다. 따라서 이 원리를 이용하면 f(ak+b)k로 나눈 나머지를 구하기 위해 f(ak+b)f(b)로 바꿔서 문제를 풀 수 있게 되죠. 이때 b의 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.

수식

여기에서 끝나는 게 아니라 몫이 음수가 나오는 경우도 생각하면 피제수의 범위를 다음과 같이 음의 정수까지 확장할 수 있습니다.

수식

피제수를 정수로 확장해도 제수는 자연수이고 0(나머지)<(제수) 인 관계는 유지됩니다.

예를 들어 527로 나눈 몫과 나머지를 구해볼게요. 이때, 52=7×7+3임을 이용하면

  52=7×(7)3

인데 여기서 나머지를 3이라 하면 안 되고 다음의 계산과정을 더 거칩니다.

수식

따라서 몫은 7이 아닌 8이 되며 나머지는 4입니다.

 

연습문제 풀이

 

예제1

7010+21923으로 나눈 나머지를 구하시오.

문제 해설 보기

위에서 정리한 이론에 의하면 복잡한 피제수가 등장해도 제수를 반복적으로 빼면서 피제수의 크기를 줄이는 요령을 이용할 수 있어요.

위에서 70의 경우는 70  23×3+1  1

 21의 경우는 21  2

이므로 문제에 제시된 제수 7010+219110+(2)9=511로 바꿀 수 있습니다. 즉, 51123으로 나눈 나머지를 구하면 되는 거죠. 이제

  511=23×(23)+18

이므로 구하는 나머지는 18입니다.

피제수 7010+219110+(2)9=511로 바꾼 원리를 나머지정리를 이용하여 자세히 설명하면 다음과 같습니다.

23=x라 하면 7010+219=(3x+1)10+(x2)9
따라서 다항식 (3x+1)10+(x2)9x로 나눈 몫과 나머지를 각각 Q(x), R이라 하면
  (3x+1)10+(x2)9=xQ(x)+R
이 식은 항등식이므로 양변에 x=0을 대입하면
  110+(2)9=RR=511
이제 양변에 x=23을 대입하면
  7010+219=23×Q(23)511
즉, 7010+21923으로 나눈 나머지는 51123으로 나눈 나머지와 같다.

 

예제2

301×302×303×3045로 나눈 나머지를 구하시오.

문제 해설 보기

각각의 수를 5로 나눈 나머지로 만든 다음의 수를 이용하여 나머지를 구할 수 있습니다.

  1×2×3×4=24

이제 245로 나눈 나머지는 4이므로 답은  4 입니다.


 

예제3

210023으로 나눈 나머지를 구하시오.

문제 해설 보기

 

거듭제곱을 어느 정도 해준 다음 23씩 빼는 방법으로 접근합니다. 이때 26=64이고 23×3=69이므로

  2100=(26)16×24=6416×24

  6416×24  (5)16×24

  (5)16×24=258×24

  258×24  28×24

  28×24=26×26=64×64

  64×64  (5)×(5)=25

  25  2

따라서 구하는 나머지는  2 입니다.


 

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