4개의 미지수가 있는 복소수 연립방정식 예제 (4원 1차 복소수 연립방정식)

다양한 공학 응용 분야에서 발생할 수 있는 문제 유형입니다.
전기 회로 분석에서는 복소수를 사용하여 임피던스와 전류의 상관관계를 계산할 때 복소수 연립방정식을 풀어야 하는 경우가 흔합니다.
또한 신호 처리나 제어 이론에서도 복소수로 표현된 시스템을 다루며 복소수 해를 구하는 일이 자주 발생합니다.
전자기학이나 양자역학과 같은 물리학 분야에서도 복소수 연립방정식은 중요한 역할을 합니다.
예를 들어, 전자기파의 위상과 진폭을 복소수로 표현하여 물체에 대한 간섭 효과를 계산하거나, 파동 방정식을 풀 때 복소수 형태의 해를 구하는 것이 필요할 수 있습니다.
따라서 이 문제는 단순한 수학적 연습을 넘어서, 공학적 문제 해결이나 물리적 현상의 해석에서 실제로 접할 수 있는 상황을 기반으로 하고 있으며, 복소수 해석 능력을 기르는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.
문제:
다음 복소수 연립방정식을 풀어 \(x\), \(y\), \(z\), \(w\) 값을 구하세요.
\[
\begin{cases}
(2 + i)x + (1 - i)y + z + iw = 5 + 4i \\
x + (3 - 2i)y + (1 + i)z + w = 2 - i \\
2x + y + (1 + 2i)z + (3 - i)w = 6 + i \\
(1 - i)x + (2 + i)y + z + 2w = 4 + 3i
\end{cases}
\]
풀이 가이드:
1. 각 방정식에서 실수부와 허수부를 나누어 8개의 실수 방정식으로 변환하여 풀기
주어진 복소수 방정식 4개는 각 방정식의 실수부와 허수부를 따로 분리할 수 있습니다. 각 방정식에서 real(좌변) = real(우변), imag(좌변) = imag(우변)으로 나누면 총 8개의 실수 방정식이 만들어집니다. 이 과정에서 \(x\), \(y\), \(z\), \(w\)는 각각 실수부와 허수부를 가지므로 새로운 8개의 미지수가 생깁니다. 이렇게 8개의 실수 연립방정식이 성립되며, 이를 통해 문제를 풀 수 있습니다.
이후, 행렬 형태로 변환하여 가우스 소거법이나 역행렬을 이용해 풀 수 있습니다. 두 가지 방법을 사람과 계산기의 상황으로 나누어 고려해보겠습니다.
손으로 계산한다면
손으로 계산하는 경우, 8x8 행렬의 역행렬을 구하는 것은 계산량이 많고 실수할 가능성도 높습니다. 이러한 상황에서는 오히려 가우스 소거법이 더 나은 선택일 수 있습니다. 가우스 소거법은 계산 절차가 체계적이기 때문에, 실수를 방지하고 한 단계씩 나아가면서 해를 구할 수 있는 장점이 있습니다. 그러나, 여전히 손으로 계산하는 것은 시간이 많이 걸릴 수 있습니다.
계산기로 계산한다면
공학용 계산기를 사용할 경우, 어떤 방식을 사용하든 계산기가 해를 도출해 주기 때문에 큰 차이가 없습니다. 계산기를 사용할 때는 중요한 것은 계산기가 해당 문제를 처리할 수 있는지 여부를 판단하는 것입니다. 특히, 복잡한 8x8 행렬 연립방정식을 다룰 수 있는지 확인해야 합니다.
대부분의 최신 공학용 계산기라면 8x8 행렬 입력이 가능하며, 이를 통해 역행렬을 구하거나 rref(계단식 형태로 변환) 기능을 사용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 만약 계산기가 이러한 기능을 지원한다면, 역행렬을 이용한 방법이나 가우스 소거법 모두 선택 가능하며, 계산기 자체가 그 과정을 처리하므로 사용자는 계산기를 적절히 설정하기만 하면 됩니다.
2. 복소수 행렬을 구성하여 행렬 방정식을 풀기
복소수 행렬을 구성하여 직접 복소수 연립방정식 형태로 다룰 수도 있습니다. 이때는 복소수 행렬 연산이 가능한 공학용 계산기를 사용하거나, MATLAB, Python 등의 소프트웨어를 사용하는 것이 더 편리합니다. 복소수 연립방정식은 실수 연립방정식으로 변환하지 않고도 복소수 계산 기능을 지원하는 툴을 사용하면 쉽게 풀 수 있습니다.
손으로 계산할 경우
복소수 행렬을 그대로 다루려면 계산 과정이 매우 복잡해질 수 있습니다. 복소수의 실수부와 허수부를 나누는 대신 복소수 연산을 직접 다뤄야 하므로, 복잡한 소거 과정에서 계산 실수가 더 쉽게 발생할 수 있습니다.
계산기로 계산할 경우
공학용 계산기 중 복소수 연산 기능을 지원하는 경우, 복소수 행렬을 그대로 입력하여 가우스 소거법이나 역행렬 방법을 사용할 수 있습니다. 이때는 실수와 복소수를 따로 분리할 필요 없이, 복소수 계산을 처리할 수 있는 계산기 기능을 활용하는 것이 효율적입니다.
3. 복소수 행렬의 가우스 소거법이나 소프트웨어(예: MATLAB, Python 등)를 사용해 풀기
소프트웨어를 사용하면 계산이 훨씬 쉬워집니다. MATLAB, Python의 NumPy와 같은 라이브러리에서는 복소수 행렬에 대한 가우스 소거법, 역행렬 계산, 또는 계단식 행렬(rref)로 변환하는 기능을 자동으로 처리할 수 있습니다. 특히 Python의 `numpy.linalg.solve()` 함수는 연립방정식을 쉽게 풀 수 있게 해줍니다.
따라서, 직접 계산보다는 소프트웨어를 사용하는 것이 현실적이며, 이러한 방법을 통해 더 신속하고 정확하게 해를 구할 수 있습니다.
댓글5
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세상의모든계산기
fx-9860G - 행렬의 역행렬로 계산


역행렬의 입력 방법 【SHIFT】【)】 : https://allcalc.org/6551


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세상의모든계산기
fx-9860G - RREF 로 계산

위의 예제 행렬 A와 B를 C(4×5)행렬에 다 때려넣고,
【EXIT】【EXIT】
【OPTN】【F2】MAT
【F6】【F5】Rref
【SHIFT】【2】【ALPHA】【저장된 행렬변수명 C】【=】실행

결과는 4×5 행렬로 나오기 때문에, 분수꼴로 나타낼 수 없고, 항상 (부동) 소숫점 형식으로 나옴.
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세상의모든계산기
TI-nspire CAS - cSolve 로 풀기

※ 참고 : csolve() - https://allcalc.org/22100
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500! 의 십진수 근사값 확인 500! = 1.22013682599111006870123878542304692625357434280319284219241358838 × 10^(1134) (참값, 울프람 알파) 2025 10.29 관련 라이브러리 https://allcalc.org/56263 sgn(x) 내장된 부호 함수(signum function)와 달리, 이 함수의 sgn(0)은 0을 반환합니다. 2025 10.29 라이브러리로 사용할 수 있습니다. (제작자 추천) 1. mylib 폴더에 넣기 2. Actions ➡️ library ➡️ refresh libraries 실행 하기 2025 10.29 ChatGPT-5 기호(÷, /, :) 자체는 의미적으로 같은 “나눗셈”을 뜻하지만, 문맥(사람이 쓰는 수학 vs 컴퓨터/프로그래밍)에 따라 해석 우선순위가 달라질 수 있습니다. 🔹 1️⃣ 전통 수학 표기 — ÷, /, : 수학 교과서, 논문, 일반 문서 등에서는 셋 다 의미적으로 “나누기”로 간주됩니다. 즉, 48÷2(9+3), 48/2(9+3), 48:2(9+3) 은 같은 의미로 받아들여야 합니다. 모두 사람의 수학 관행적 해석이 적용되어 48 ÷ 2 × (9+3) = 288 로 처리되죠. 즉, 기호가 바뀌어도 결과는 바뀌지 않습니다. 🔹 2️⃣ 컴퓨터·프로그래밍 문맥에서 / 사용 시 컴퓨터는 “생략된 곱셈(implicit multiplication)”을 따로 구분하지 못합니다. 따라서 다음 두 식은 완전히 다르게 인식됩니다. 표현 파이썬 등에서 해석 결과 48 / 2*(9+3) ((48 / 2) * (9+3)) 288 48 / 2(9+3) ❌ 문법 오류 (생략된 곱셈 인식 불가) — 즉, 컴퓨터 언어에서는 생략된 곱셈이 허용되지 않기 때문에, /는 반드시 명시적 *와 함께 써야 합니다. 🔹 3️⃣ “:” 기호의 경우 현대 수학에서는 “비율”을 나타내는 기호로 쓰입니다. a:b = \frac{a}{b} 따라서 (27 : 3(1+2)3) 같은 표현은 모호하거나 비표준적으로 간주됩니다. 대부분의 경우 계산기로는 입력 자체가 불가능합니다. ✅ 정리 기호 의미 결과 변화 주로 쓰이는 문맥 ÷ 나누기 없음 초중등 수학, 일반 표기 / 나누기 없음 (단, 프로그래밍에서는 생략 곱 불허) 수학/컴퓨터 : 비율 (또는 나누기 의미로 혼용) 보통 계산식에서는 사용 안 함 비, 비율 표기 🔹 결론 48 ÷ 2(9+3), 48/2(9+3), 48:2(9+3) 는 “수학적 의미”로는 동일하게 81로 해석됩니다. 하지만 프로그래밍이나 수식 파서(context) 에서는 /만 유효하고, 생략된 곱은 허용되지 않으며, :는 아예 다른 의미(비율)로 인식됩니다. 2025 10.28 ChatGPT-5 💯 네, 정확히 그 지점을 짚으셨어요. 요약하면 이렇게 말할 수 있습니다: “생략된 곱하기(implicit multiplication)”는 문자에서는 강한 결합력을 인정하지만, 숫자나 괄호 사이에서는 일반 곱셈(×)과 동일한 우선순위로 취급된다. 즉, 문자에서는 더 강하게 결합, 숫자·괄호 사이에서는 그냥 ‘보통 곱셈’ 으로 본다는 것이 현대 수학 표기와 계산기의 관행적 규칙입니다. 🔹 두 경우의 구조적 차이 식 형태 실제 해석 결과 결합력 특징 ab ÷ ab 문자 붙음 ((a×b) ÷ (a×b)) 1 문자 간 결합이 강함 → 한 항으로 인식 3(1+2)3 숫자·괄호 혼합 (3 × (1+2) × 3) 27 생략된 ×는 보통 곱셈 → 좌→우 규칙 적용 🔹 왜 문자식은 결합력이 더 강한가? 기호적 표현의 안정성 (ab), (xy), (2x) 같은 표기는 수백 년 동안 “하나의 곱셈 항(term)”으로 인식되어 왔습니다. 그래서 수학자들은 이걸 암묵적으로 “괄호로 묶인 덩어리”로 봅니다. ab ÷ ab = (ab) ÷ (ab) 함수 표기와 구분 필요 예: (sinx ÷ x) 에서 sinx는 sin(x)로 묶여야 의미가 있습니다. 이런 이유로 “문자 옆에 붙은 기호나 문자”는 항상 먼저 결합되도록 하는 관행이 굳어졌습니다. 🔹 반면 숫자·괄호에서는 (3(1+2)) 는 단순히 “3 × (1+2)”의 약식 표현이고, 여기서 “생략된 곱셈”은 “명시적 곱셈”과 동일한 연산자로 간주됩니다. 따라서 27 ÷ 3(1+2)3 = 27 ÷ 3 × 3 × 3 = 81 처럼 좌→우 순서로 처리합니다. 🔹 결론 생략된 곱하기(implicit multiplication)의 결합력은 표기 맥락에 따라 다르다. 문자/기호와 함께 쓰일 때 → 강하게 결합 (하나의 항으로 인식) 숫자와 괄호 사이 → 일반 곱셈과 동일한 우선순위 (좌→우 계산) 이건 “규칙이 바뀐 것”이 아니라, 표기 문법(context) 이 달라서 ‘결합 단위(token)’이 달라진 결과라고 보는 게 가장 정확합니다. 2025 10.28