Quadratic formula

이차방정식 ax^2 + bx + c = 0 (a \\neq 0)에서 계수 a, b, c를 대입하기만 하면 그 즉시 해를 찾아낼 수 있는 마법의 공식. 인수분해가 바로 보이지 않는 난해한 방정식 앞에서 절망하는 학생들에게 구원과도 같은 존재지만, 정작 공식을 외우지 못해 시험지 앞에서 눈물을 흘리게 만드는 원흉이기도 하다. 공식 모양이 묘하게 킹받게 생겼다.

목차

1. 역사
2. 형태
2.1. 일반형
2.2. 짝수 공식(반의 공식)
3. 유도 과정
4. 판별식
5. 트리비아
6. 영상

1. 역사

고대 바빌로니아 시대부터 이미 이차방정식의 해법에 대한 개념은 존재했다. 이후 고대 그리스의 유클리드가 기하학적으로 접근했고, 7세기 인도의 수학자 브라마굽타가 오늘날의 공식과 유사한 형태를 정립했다.

최종적으로 9세기 페르시아의 수학자 알 콰리즈미가 대수적인 방법으로 체계화하면서 현대 수학의 핵심 도구로 자리 잡았다. 알고리즘이라는 단어의 어원이 바로 이 사람의 이름에서 유래했다는 점을 생각하면, 근의 공식은 컴퓨터 과학의 먼 조상뻘 되는 셈이다.

2. 형태

2.1. 일반형

x = \\frac{-b \\pm \\sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}
모든 이차방정식에 적용 가능한 형태다. \\pm 기호 덕분에 해가 최대 2개라는 점을 직관적으로 보여준다.

2.2. 짝수 공식(반의 공식)

x = \\frac{-b' \\pm \\sqrt{b'^2 - ac}}{a}
이차항의 계수 b가 짝수(b = 2b')일 때 사용하는 실전 압축형 공식이다. 일반형에 대입한 뒤 약분하는 번거로움을 줄여주기 때문에, 고등학생 이상부터는 사실상 이 공식을 더 애용하게 된다. 이거 안 쓰고 일반형 쓰다가 계산 틀리면 본인 손해다.

3. 유도 과정

근의 공식은 하늘에서 뚝 떨어진 것이 아니라, 이차방정식을 완전제곱식으로 변형하는 과정을 공식화한 것이다.
  • 1. 양변을 a로 나눈다: x^2 + \\frac{b}{a}x + \\frac{c}{a} = 0
  • 2. 상수항을 넘긴다: x^2 + \\frac{b}{a}x = -\\frac{c}{a}
  • 3. 좌변을 완전제곱식으로 만들기 위해 (\\frac{b}{2a})^2를 양변에 더한다.
  • 4. 좌변을 묶고 우변을 통분하여 정리한다: (x + \\frac{b}{2a})^2 = \\frac{b^2 - 4ac}{4a^2}
  • 5. 제곱근을 씌우고 x에 대해 정리하면 우리가 아는 그 공식이 튀어나온다.

4. 판별식

공식 안의 루트 속에 있는 D = b^2 - 4ac를 의미한다. 이 값의 부호에 따라 해의 상태가 결정된다.
  • D > 0: 서로 다른 두 실근.
  • D = 0: 중근(1)
  • D < 0: 서로 다른 두 허근.(2)

5. 트리비아

대한민국 중학교 3학년 수학 교육과정에서 학생들이 마주하는 첫 번째 거대한 장벽으로 꼽힌다. 이 시기부터 복잡해지는 수식 때문에 많은 학생이 수학 학습에 대한 근본적인 회의감을 느끼기도 한다. 이러한 높은 난이도 덕분에 수식을 쉽게 외우기 위한 근의 공식 노래가 널리 보급되었는데, 보통 산토끼나 반짝반짝 작은 별 같은 친숙한 멜로디에 가사를 붙여 부르는 것이 중학교 수학 시간의 필수 코스로 자리 잡았다. 2a 분의~ 마이너스 b~ 플러스 마이너스 루트 b제곱 마이너스 4ac

수학적 관점에서 볼 때 이차방정식까지의 공식은 매우 간결한 축에 속한다. 삼차방정식의 근의 공식인 카르다노의 공식부터는 식의 길이가 기하급수적으로 늘어나기 시작하며, 사차방정식의 경우 공식 하나가 종이 한 장을 다 채울 정도로 방대해진다. 그러나 오차 이상의 방정식부터는 아벨과 갈루아에 의해 일반적인 대수적 근의 공식이 존재하지 않음이 증명되었다. 이는 오차 이상의 방정식에서는 사칙연산과 거듭제곱근만으로 이루어진 만능 공식을 만드는 것이 수학적으로 불가능함을 의미한다.

한편, 이 공식은 성인이 된 이후에도 일종의 상식 테스트나 술자리 내기 소재로 종종 등장한다. 하지만 분모인 2a를 누락하거나, 판별식인 b^2 - 4ac4ab와 혼동하는 등 공식을 정확히 기억하지 못해 발생하는 해프닝이 빈번하게 일어나곤 한다.

6. 영상

(1) 서로 같은 두 실근.
(2) 중학교 과정에서는 해가 없다고 배우지만, 고등학교에서 복소수를 배우는 순간 근이 다시 살아난다.

 
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