Ⅱ. 방정식과 부등식 · 복소수와 이차방정식

🔢 복소수와 이차방정식

"상상의 수"가 여는 수의 완성

📋 없는 수를 만들다

💥 왜 배우나
$x^2 = -1$ 을 만족하는 실수는 없다. 그래서 수학자들은 $i^2 = -1$ 인 상상의 수(허수) $i$ 를 발명했다. 황당해 보이는 이 수가 전기·신호처리·양자역학의 필수 언어가 됐다 — 상상이 현실을 움직인다.
🃏
카르다노 · 봄벨리 (16세기) — 허수의 등장
삼차방정식을 풀던 카르다노는 계산 도중 음수의 제곱근을 마주쳤다. 처음엔 "쓸모없다"며 꺼렸지만, 봄벨리가 그 계산 규칙을 정리하면서 복소수가 수학의 정식 구성원이 되었다.

🔢 복소수

✅ 허수단위와 복소수
허수단위: $i = \sqrt{-1}$, 즉 $i^2 = -1$.
복소수: $a + bi$ ($a, b$ 는 실수). $a$ = 실수부, $b$ = 허수부. ($b=0$ 이면 실수, $a=0, b\ne 0$ 이면 순허수.)

복소수는 좌표평면처럼 복소평면에 점으로 나타낼 수 있다(가로=실수부, 세로=허수부).

복소수의 연산 (눌러서 계산)

🔑 켤레복소수
$a+bi$ 의 켤레는 $a-bi$ (허수부 부호만 바꿈). 켤레끼리 곱하면 실수: $(a+bi)(a-bi) = a^2 + b^2$. 분모의 허수를 없앨 때 쓴다.
🔁 i의 거듭제곱 — 네 개마다 되풀이
$i^1 = i$, $i^2 = -1$, $i^3 = -i$, $i^4 = 1$ 이고 그다음부터는 이 넷이 그대로 되풀이된다.
그래서 지수를 4로 나눈 나머지만 보면 된다: 나머지 1이면 $i$, 2면 $-1$, 3이면 $-i$, 0이면 $1$.
예 — $i^9$ 은 9를 4로 나눈 나머지가 1이라 $i$, $i^{10}$ 은 나머지가 2라 $-1$.
연달아 더할 때는 네 항씩 묶으면 합이 0 ($i - 1 - i + 1 = 0$)이므로, 묶고 남는 항만 세면 된다.
➗ 복소수의 나눗셈 — 분모의 켤레를 곱한다
분모에 허수가 있으면 분모의 켤레를 분자·분모에 곱해 분모를 실수로 만든다.
$\dfrac{1+2i}{1-i} = \dfrac{(1+2i)(1+i)}{(1-i)(1+i)}$ — 분모는 $1 - i^2 = 2$, 분자는 $1 + i + 2i + 2i^2 = 1 + 3i - 2 = -1 + 3i$. 따라서 $\dfrac{-1+3i}{2}$.
켤레는 허수부의 부호만 바꾼 것이다($1-i$ 의 켤레는 $1+i$). 같은 것을 곱하면 분모가 실수가 되지 않는다.
검산: 얻은 값에 원래 분모를 곱해 분자가 나오는지 본다.
🟰 복소수의 상등 — 식 두 개가 나온다
$a, b, c, d$ 가 실수일 때 $a + bi = c + di$ $\iff$ $a = c$ 이고 $b = d$. 즉 복소수 하나의 등식은 실수 등식 두 개와 같다.
예 — $(a+2i)(1-i) = 5 - bi$ 에서 좌변을 정리하면 $(a+2) + (2-a)i$ 이므로 실수부끼리 $a + 2 = 5$, 허수부끼리 $2 - a = -b$. 풀면 $a = 3,\ b = 1$.
전개할 때 $-2i^2 = +2$ 가 실수부로 넘어온다는 것과, 우변의 $-bi$ 에서 부호를 그대로 옮기는 것이 실점 지점이다.

📐 이차방정식과 판별식

✅ 근의 공식
$ax^2 + bx + c = 0$ ($a \ne 0$) 의 근: $$x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}$$

판별식 $D = b^2 - 4ac$ 로 근을 판별

근의 공식 속 $\sqrt{\ }$ 안의 값 $D = b^2 - 4ac$ 만 봐도 근의 개수·종류를 알 수 있다. 버튼을 눌러 비교하자.

판별식근
$D > 0$서로 다른 두 실근
$D = 0$중근(서로 같은 두 실근)
$D < 0$서로 다른 두 허근
👥 켤레근 — 실수 계수면 허근은 짝으로 온다
계수가 실수인 이차방정식이 허근을 가지면, 두 근은 반드시 켤레끼리다. 한 근이 $p + qi$ 면 다른 근은 $p - qi$.
예 — 실수 $a, b$ 에 대하여 $x^2 + ax + b = 0$ 의 한 근이 $2 + i$ 이면 다른 근은 $2 - i$. 두 근의 합 $= 4 = -a$ 이므로 $a = -4$, 곱 $= (2+i)(2-i) = 4 - i^2 = 5 = b$.
켤레끼리의 곱에서 $-i^2$ 이 $+1$ 이 되어 부호가 뒤집힌다는 것을 놓치지 않는다.

🔗 근과 계수의 관계

✅ 두 근의 합과 곱
$ax^2 + bx + c = 0$ 의 두 근을 $\alpha, \beta$ 라 하면 $$\alpha + \beta = -\frac{b}{a}, \qquad \alpha\beta = \frac{c}{a}$$ 근을 직접 구하지 않고도 합과 곱을 바로 안다.
🔎 예: $x^2 - 5x + 6 = 0$
$a=1, b=-5, c=6$ → 합 $\alpha+\beta = -\frac{-5}{1} = 5$, 곱 $\alpha\beta = \frac{6}{1} = 6$.
실제 근은 $x=2, 3$ → 합 $2+3=5$ ✓, 곱 $2\times 3 = 6$ ✓.
💡 활용
두 근을 알면 방정식을 거꾸로 만들 수도 있다: 합이 $s$, 곱이 $p$ 인 두 근을 갖는 이차방정식은 $x^2 - sx + p = 0$.
🧩 대칭식은 합과 곱으로 바꾼다
두 근 $\alpha, \beta$ 의 대칭식은 근을 직접 구하지 않고 합 $s = \alpha+\beta$ 와 곱 $p = \alpha\beta$ 로 바꿔 계산한다.
$\alpha^2 + \beta^2 = s^2 - 2p$
$\alpha^3 + \beta^3 = s^3 - 3ps$
$\dfrac{1}{\alpha} + \dfrac{1}{\beta} = \dfrac{s}{p}$
$(\alpha - \beta)^2 = s^2 - 4p$
빼는 항의 계수(2인지 3인지)와, 세제곱에서 빼는 항에 $s$ 가 한 번 더 곱해져 있다는 것이 실점 지점이다. 근이 허근이어도 합과 곱은 실수라 이 계산이 그대로 통한다.
➕➖ 두 근의 부호 조건 — 확인할 것이 셋
이차방정식 $ax^2+bx+c=0$ ($a \gt 0$)의 두 근이 모두 양수일 조건은 세 가지를 함께 만족하는 것이다.
① 실근일 것: $D \ge 0$   ② 합이 양수: $\alpha+\beta \gt 0$   ③ 곱이 양수: $\alpha\beta \gt 0$
두 근이 모두 음수면 ①③은 같고 ②만 $\alpha+\beta \lt 0$ 으로 바뀐다. 부호가 서로 다르면 곱이 음수($\alpha\beta \lt 0$)라는 것 하나로 정해진다(그때 $D \gt 0$ 은 저절로 성립).
합이 $-\dfrac{b}{a}$ 라는 마이너스를 빠뜨리면 조건의 방향이 통째로 뒤집힌다.
↔️ 근을 옮긴 방정식 만들기
두 근이 $\alpha, \beta$ 인 방정식에서 근을 옮긴 새 방정식은 새 합과 새 곱을 구해 $x^2 - (\text{합})x + (\text{곱}) = 0$ 에 넣는다.
예 — $x^2 - 3x + 5 = 0$ 의 두 근에 각각 1을 더한 것을 근으로 하는 방정식: 새 합 $= (\alpha+\beta) + 2 = 5$, 새 곱 $= \alpha\beta + (\alpha+\beta) + 1 = 5 + 3 + 1 = 9$ 이므로 $x^2 - 5x + 9 = 0$.
더 빠른 길: 근이 1씩 커졌으므로 원래 식의 $x$ 자리에 $x - 1$ 을 넣어도 같은 결과가 나온다.
곱을 전개할 때 교차항 $(\alpha+\beta)$ 를 빠뜨리는 것과, 합 앞의 마이너스를 놓치는 것이 실점 지점이다.

🌐 세상 속으로

📌 어른이 되어도 기억할 것
  1. $i^2 = -1$. 허수 $i$ 로 모든 이차방정식이 (복소수 범위에서) 풀린다.
  2. 판별식 $D = b^2 - 4ac$: $D>0$ 두 실근, $D=0$ 중근, $D<0$ 두 허근.
  3. 근과 계수: 두 근의 합 $=-\frac{b}{a}$, 곱 $=\frac{c}{a}$. 근을 안 구하고도 안다.
💡 인사이트 — 판별식은 그래프로 보인다
판별식 $D$ 는 이차함수 $y = ax^2+bx+c$ 의 그래프가 x축과 몇 번 만나는지를 알려준다: $D>0$ 두 번, $D=0$ 한 번(접함), $D<0$ 안 만남. 그래서 다음 단원 이차함수와 곧바로 이어진다.
🏠 복소수가 일하는 곳
⚡
전기(교류)
임피던스 = 복소수
📶
신호처리
푸리에 변환
⚛️
양자역학
파동함수(복소수)
🎛️
제어·진동
안정성 판별
🏭 산업과 직업
⚡
전기·전자공학
교류 회로·신호를 복소수로 계산(임피던스·위상).
🎓 전기전자 · 통신
📡
신호·영상 처리
소리·영상·통신을 주파수(복소수)로 분석.
🎓 정보통신 · 데이터 · 수학
⚛️
물리·양자
양자역학의 상태가 복소수로 기술된다.
🎓 물리학 · 응용수학

🔥 복소수·이차방정식 퀴즈

문제 1 / 10점수 0 / 10

✅ 정리

핵심
$i^2 = -1$, 복소수 $a+bi$, 켤레 $a-bi$
근의 공식 $x = \dfrac{-b \pm \sqrt{b^2-4ac}}{2a}$
판별식 $D=b^2-4ac$: $+$ 두 실근 / $0$ 중근 / $-$ 두 허근
근과 계수: $\alpha+\beta=-\dfrac{b}{a}$, $\alpha\beta=\dfrac{c}{a}$
🔑 한 줄 요약
허수 $i$ 로 수를 완성하고, 판별식으로 근의 종류를, 근과 계수의 관계로 합·곱을 파악한다.

자가 점검

약점 태그

수학:복소수수학:이차방정식수학:판별식수학:근과계수
➡️ 다음 단원
판별식은 그래프로 보인다 → 이차함수와 이차방정식·부등식(제작 예정)으로. 공통수학1 허브로.