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복소수와 이차방정식

x² + 1 = 0 같은 방정식은 실수 해가 없어요. 제곱해서 음수가 되는 실수는 없기 때문이에요. 그래서 i² = −1인 새로운 수 i를 만들어요. 복소수는 z = a + ib 꼴이고, a는 실수부분, b는 허수부분이에요. 복소수의 덧셈, 뺄셈, 곱셈은 문자식처럼 계산하되 i²는 −1로 바꿔요. 나눌 때는 분모의 켤레복소수를 분자와 분모에 곱해요. 복소평면에서 z = a + ib는 점 (a, b)예요. 켤레복소수 a − ib는 실수축에 대해 대칭인 점이고, 절댓값 √(a² + b²)는 원점에서 그 점까지의 거리예요. D = b² − 4ac < 0인 이차방정식 ax² + bx + c = 0은 서로 켤레인 두 복소수 해를 가져요.

🎬 단계별 이야기

  1. 제곱해서 음수가 되는 실수는 없어요. 그래서 i² = −1인 수 i를 새로 만들어요. 3D에서 화살표 1이 4분의 1바퀴 돌면 i가 되고, 한 번 더 돌면 −1이 돼요.
  2. 복소수 z = a + ib는 평면 위의 한 점이에요. 실수축에서 a칸 오른쪽으로 가고, 허수축에서 b칸 위로 가요. 여기서는 z = 3 + 2i예요.
  3. 더하려면 화살표를 머리와 꼬리로 이어 붙여요. 실수부분끼리, 허수부분끼리 더해요. (3 + 2i) + (1 + 3i) = 4 + 5i.
  4. i를 곱하면 화살표가 90° 돌아요. 거듭제곱을 보세요. i, −1, −i, 1 다음에는 4번마다 같은 순서가 반복돼요.
  5. 켤레복소수 z̄ = a − ib는 실수축에 대칭인 점이에요. 절댓값 |z|는 화살표의 길이예요. 3 + 4i의 절댓값은 5예요.
  6. 자유 실험: z₁과 z₂를 정하고 더하기, 빼기, 곱하기, 나누기를 해 보세요. 또는 D < 0인 이차방정식을 넣고 두 복소수 해를 확인해 보세요.

팁: 3D 화면을 드래그하면 돌아가요. 두 손가락으로 확대할 수 있어요.

🤔 헷갈리는 점, 한 번에 해결

i는 아무 의미 없는 상상 속의 속임수인가요?

아니에요. i는 4분의 1바퀴예요. 3D에서 1에 i를 곱하면 화살표가 90° 돌아 i가 되고, 한 번 더 돌면 −1에 닿아요. 이것이 바로 i² = −1이에요.

b는 실수인데 왜 허수부분이라고 부르나요?

b 자체는 실수예요. 허수축을 따라 얼마나 위로 갈지 알려 주는 수일 뿐이에요. 3D에서 z = 3 + 2i는 오른쪽으로 3칸, 위로 2칸이에요.

왜 복소수끼리는 어느 쪽이 더 크다고 말할 수 없나요?

평면 위의 점들은 한 줄로 서 있지 않아서 왼쪽에서 오른쪽으로 줄 세울 수 없어요. 대신 O로부터의 거리(절댓값)는 비교할 수 있어요. 5단계의 원이 그것을 보여 줘요.

복소수의 덧셈이 왜 벡터의 덧셈과 비슷한가요?

실수부분은 한 축을 따라, 허수부분은 다른 축을 따라 더해지기 때문이에요. 3D에서 빨간 화살표가 파란 화살표의 끝으로 미끄러지고, 초록 화살표가 합이에요.

i의 큰 거듭제곱을 빨리 구하려면 어떻게 하나요?

4분의 1바퀴를 네 번 하면 처음으로 돌아와요. 그래서 4로 나눈 나머지만 중요해요. 4단계에서 화살표가 한 바퀴 도는 것을 보세요.

이차방정식의 복소수 해는 왜 짝으로 나오나요?

공식의 ±가 p + iq와 p − iq를 만들고, 이 둘은 실수축에 대해 대칭이에요. 자유 실험에서 x² + 2x + 5 = 0을 풀면 두 화살표가 서로 거울처럼 대칭인 것을 볼 수 있어요.

왜 복소수가 필요할까요?

실수를 제곱해 보세요. 3² = 9, (−3)² = 9, 0² = 0이에요. 답이 음수인 경우는 없어요. 그래서 x² = −1, 즉 x² + 1 = 0은 실수 해가 없어요.

수학자들은 새로운 수 하나를 더해서 이 문제를 풀었어요. 이 수를 허수 단위라 하고 i로 써요. i² = −1이에요. 그래서 √(−1) = i이고, √(−9) = √9 · i = 3i예요.

복소수는 a, b가 실수일 때 z = a + ib 꼴의 수예요. a를 실수부분 Re(z), b를 허수부분 Im(z)라고 해요. b = 0이면 실수이므로 원래 쓰던 수도 모두 복소수예요. 3D의 1단계를 보세요. i는 1을 4분의 1바퀴 돌린 거예요.

i의 거듭제곱

i¹ = i, i² = −1, i³ = i²·i = −i, i⁴ = (i²)² = 1이에요. 그 뒤로는 같은 패턴이 반복돼요. iⁿ을 구하려면 n을 4로 나눈 나머지를 보세요. i⁴ᵏ = 1, i⁴ᵏ⁺¹ = i, i⁴ᵏ⁺² = −1, i⁴ᵏ⁺³ = −i예요. 예: i¹⁰²는 102 = 4 × 25 + 2이므로 i¹⁰² = −1이에요.

주의: √a · √b = √(ab)는 a와 b가 둘 다 음수가 아닐 때만 맞아요. 예를 들어 √(−4)·√(−9) = 2i·3i = 6i² = −6이지, √36 = 6이 아니에요.

복소수의 계산

(z₁ + z₂)² = z₁² + 2z₁z₂ + z₂² 같은 곱셈 공식은 복소수에서도 그대로 성립해요.

켤레복소수와 절댓값

z = a + ib의 켤레복소수는 z̄ = a − ib예요(허수부분의 부호만 바꿔요). 절댓값은 |z| = √(a² + b²)예요. 쓸모 있는 성질: z · z̄ = |z|², |z₁z₂| = |z₁||z₂|, |z₁/z₂| = |z₁|/|z₂|, conj(z₁ + z₂) = z̄₁ + z̄₂, conj(z₁z₂) = z̄₁ z̄₂.

허수가 섞인 두 복소수 사이에는 ‘더 크다, 더 작다’가 없어요. 2 + i > 1 + 3i는 의미가 없어요. 절댓값끼리만 비교할 수 있어요.

복소평면

서로 수직인 두 축을 그려요. 가로축은 실수축, 세로축은 허수축이에요. 복소수 z = a + ib는 점 (a, b)예요. 이 그림을 복소평면(아르강 평면)이라고 해요.

복소수 해를 갖는 이차방정식

a, b, c가 실수인 ax² + bx + c = 0의 해는 x = (−b ± √D)/2a이고 D = b² − 4ac예요.

예: x² + 2x + 5 = 0. D = 4 − 20 = −16, √D = 4i, x = (−2 ± 4i)/2 = −1 ± 2i. 자유 실험에서 직접 해 보세요.

시험 대비 포인트

이 단원에서는 i의 거듭제곱(1점), 분수를 a + ib 꼴로 바꾸기(2~3점), 절댓값, 켤레복소수, 역원 구하기(2점), D < 0인 이차방정식 풀기(2~3점)가 자주 나와요. 최종 답은 꼭 a + ib 꼴로 쓰세요.

핵심 공식과 정의

풀이 예제

1. i⁵⁷과 i⁻³을 구하세요.

57 = 4 × 14 + 1이므로 i⁵⁷ = i¹ = i예요. i⁻³ = 1/i³ = 1/(−i) = −1/i예요. 분자와 분모에 i를 곱하면 −i/i² = −i/(−1) = i예요. 따라서 i⁻³ = i예요.

2. (5 − 3i) + (−2 + 7i)와 (5 − 3i) − (−2 + 7i)를 계산하세요.

합: 실수부분 5 + (−2) = 3, 허수부분 −3 + 7 = 4이므로 3 + 4i예요. 차: 실수부분 5 − (−2) = 7, 허수부분 −3 − 7 = −10이므로 7 − 10i예요.

3. (2 + 3i)(4 − i)를 계산하세요.

2·4 + 2·(−i) + 3i·4 + 3i·(−i) = 8 − 2i + 12i − 3i². i² = −1을 넣으면 8 + 3 + 10i = 11 + 10i예요.

4. z = 3 − 4i의 절댓값, 켤레복소수, 곱셈의 역원을 구하세요.

|z| = √(9 + 16) = 5예요. z̄ = 3 + 4i예요. z⁻¹ = z̄/|z|² = (3 + 4i)/25 = 3/25 + (4/25)i예요. 확인: (3 − 4i)(3 + 4i)/25 = 25/25 = 1.

5. (1 + 2i)/(3 − i)를 a + ib 꼴로 쓰세요.

분자와 분모에 3 + i를 곱해요. 분모: 9 + 1 = 10. 분자: (1 + 2i)(3 + i) = 3 + i + 6i + 2i² = 1 + 7i. 답: 1/10 + (7/10)i.

6. 2x² − 2x + 1 = 0을 푸세요.

a = 2, b = −2, c = 1이에요. D = 4 − 8 = −4 < 0이므로 √D = 2i예요. x = (2 ± 2i)/4 = 1/2 ± (1/2)i예요. 두 해 1/2 + i/2와 1/2 − i/2는 서로 켤레예요.

7. (x + 2y) + i(2x − y) = 5 + 5i를 만족하는 실수 x, y를 구하세요.

두 복소수가 같으면 실수부분끼리, 허수부분끼리 같아요. x + 2y = 5, 2x − y = 5예요. 두 번째 식에서 y = 2x − 5예요. 그러면 x + 4x − 10 = 5이므로 x = 3, y = 1이에요.

8. (a + ib)/(c + id) = x + iy이면 (a² + b²)/(c² + d²) = x² + y²임을 보이세요.

양변의 절댓값을 취해요. |a + ib|/|c + id| = |x + iy|. 즉 √(a² + b²)/√(c² + d²) = √(x² + y²)예요. 양변을 제곱하면 결과가 나와요.

자주 하는 실수

연습 퀴즈

1. i²의 값은?
2. −2 + 5i의 켤레복소수는?
3. |6 − 8i| =
4. i¹⁰³의 값은?
5. x² + 9 = 0의 해는?

연습: 직접 풀어 보세요

답을 입력하거나 고른 뒤 확인을 누르세요. 막히면 힌트를 보세요. 풀이는 답을 낸 뒤에 나타나요.

자주 묻는 질문

복소평면은 고등학교 수학 교육과정에 나오나요?

네. 복소수의 필요성, 계산 규칙, 복소평면을 배워요. 이 수업은 극형식은 다루지 않고 a + ib 꼴, 절댓값, 켤레복소수에 집중해요.

허수 단위 i의 값은 무엇인가요?

i는 제곱하면 −1이 되는 수예요. 즉 i = √(−1)이에요. 실수가 아니고, 거듭제곱하면 i, −1, −i, 1이 반복돼요.

복소수끼리는 어떻게 나누나요?

분모의 켤레복소수를 분자와 분모에 곱해요. 분모가 실수 c² + d²이 되고, 그다음 답을 a + ib 꼴로 나누어 쓰면 돼요.

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