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ax² + bx + c의 인수분해Factoring ax² + bx + c

Algebra 1Algebra 1 · 5. 인수분해5. Factoring

학습 목표
  • 네 항짜리 식을 두 개씩 묶어서 인수분해한다.
  • ax2+bx+cax^2+bx+c를 AC법(가운데 항 쪼개기)으로 인수분해하고, 왜 그 방법이 통하는지 안다.
  • 십자 곱하기로 후보를 빠르게 시험하고, 전개 검산으로 마무리한다.

준비 운동 — 두 개씩 묶기

새 기술 하나가 먼저 필요하다. 항이 네 개인 식은 공통인수가 전체에는 없어도, 두 개씩 나누면 있을 수 있다:

ab+2a+3b+6=a(b+2)+3(b+2).ab + 2a + 3b + 6 = a(b+2) + 3(b+2).

앞 두 항에서 aa를, 뒤 두 항에서 33을 묶었더니 같은 괄호 (b+2)(b+2)가 두 번 나타났다. 이제 이 괄호 자체가 공통인수다:

a(b+2)+3(b+2)=(a+3)(b+2).a(b+2) + 3(b+2) = (a+3)(b+2).

이것이 묶어서 인수분해하기(grouping)다. 성공의 신호는 하나 — 두 묶음에서 같은 괄호가 나오는가. 안 나오면 짝을 바꿔 다시 묶어 본다. 검산(a=1,b=1a=1, b=1): 원식 1+2+3+6=121+2+3+6 = 12, 결과 4×3=124 \times 3 = 12 ✓.

ax2+bx+cax^2+bx+c — 무엇이 어려워지는가

x2+bx+cx^2+bx+c에서는 곱이 cc, 합이 bb인 두 수면 끝이었다. 이제 x2x^2 앞에 계수가 붙는다:

(2x+3)(x+4)=2x2+8x+3x+12=2x2+11x+12.(2x+3)(x+4) = 2x^2 + 8x + 3x + 12 = 2x^2 + 11x + 12.

가운데 11x11x를 보라. 3344의 합이 아니다 — 바깥 곱 2x4=8x2x \cdot 4 = 8x안쪽 곱 3x=3x3 \cdot x = 3x의 합이다. 상수 쌍만 찾아서는 안 되고, 앞 계수의 분해까지 얽힌다. 그래서 도구를 업그레이드한다.

AC법 — 가운데 항을 쪼갠다

방금 식을 거꾸로 보자. 2x2+11x+122x^2+11x+12에서 가운데 항을 8x+3x8x + 3x로 쪼갤 수만 있다면, 네 항이 되고 묶기가 통한다:

2x2+3x+8x+12=x(2x+3)+4(2x+3)=(2x+3)(x+4).2x^2 + 3x + 8x + 12 = x(2x+3) + 4(2x+3) = (2x+3)(x+4).

문제는 11x11x어떻게 쪼개는지 아는 것이다. 답: 쪼갠 두 계수는 곱이 a×ca \times c, 합이 bb여야 한다. 여기서는 곱이 2×12=242 \times 12 = 24, 합이 1111인 두 수 — (3,8)(3, 8)이다.

왜 곱이 acac인가. 일반적으로 전개하면

(px+q)(rx+s)=prx2+(ps+qr)x+qs(px+q)(rx+s) = pr\,x^2 + (ps+qr)\,x + qs

이므로 a=pra = pr, c=qsc = qs이고, 가운데를 이루는 두 계수는 pspsqrqr이다. 이 둘의 곱은

(ps)(qr)=(pr)(qs)=ac.(ps)(qr) = (pr)(qs) = ac.

가운데 두 조각의 곱이 언제나 양 끝의 곱과 같다 — 그래서 "곱이 acac, 합이 bb"를 찾으면 반드시 묶인다.

예제 1 — AC법 전 과정

4x2+4x154x^2 + 4x - 15를 인수분해하라.

풀이. ac=4×(15)=60ac = 4 \times (-15) = -60, 합이 44인 두 수: 부호가 다르고 큰 쪽이 양수다. 60=6×1060 = 6 \times 10에서 (10,6)(10, -6) — 곱 60-60 ✓, 합 44 ✓. 가운데를 쪼개고 묶는다:

4x2+10x6x15=2x(2x+5)3(2x+5)=(2x+5)(2x3).4x^2 + 10x - 6x - 15 = 2x(2x+5) - 3(2x+5) = (2x+5)(2x-3).

뒤 묶음에서 3-3을 묶어야 괄호가 (2x+5)(2x+5)로 일치하는 것에 주의 — 음수 항으로 시작하는 묶음은 음수를 묶는다. 검산(전개): 4x26x+10x15=4x2+4x154x^2 - 6x + 10x - 15 = 4x^2 + 4x - 15 ✓.

참고

쪼개는 순서는 아무래도 좋다. 2x2+11x+122x^2 + 11x + 122x2+8x+3x+122x^2 + 8x + 3x + 12로 쪼개도 2x(x+4)+3(x+4)=(2x+3)(x+4)2x(x+4) + 3(x+4) = (2x+3)(x+4) — 같은 답이 나온다. 어느 쪽이든 같은 곳에 도착하니, 편한 쪽으로 쪼개면 된다.

십자 곱하기 — 후보를 빠르게 시험한다

수가 작을 때는 표를 그려 후보를 직접 시험하는 쪽이 빠를 때가 많다. 2x2+11x+122x^2+11x+12라면: 2x22x^22xx2x \cdot x로, 1212를 두 수의 곱으로 나눠 세로로 놓고, 대각선끼리 곱해 더한 것이 가운데 항인지 본다:

2x x 3 4 3x 8x + 11x
십자 곱하기: 2x와 x, 3과 4를 세로로 놓고 대각선 곱 3x와 8x의 합이 11x가 되는지 확인한다

대각선 곱 3x+8x=11x3x + 8x = 11x ✓ — 성공. 이때 가로줄이 그대로 인수다: 윗줄 (2x+3)(2x+3), 아랫줄 (x+4)(x+4). 실패하면 1212의 다른 분해(1×121 \times 12, 2×62 \times 6…)나 배치 교환으로 다시 시도한다. 후보가 몇 개 안 되니 금방 끝난다 — 다만 어느 방법을 쓰든 마지막은 전개 검산이다.

예제 2 — 십자 곱하기

3x210x+83x^2 - 10x + 8을 인수분해하라.

풀이. 3x2=3xx3x^2 = 3x \cdot x. 상수 곱이 +8+8이고 가운데가 음수이므로 두 수는 모두 음수다. (4,2)(-4, -2)를 배치해 보자: 대각선 곱은 3x(2)=6x3x \cdot (-2) = -6xx(4)=4xx \cdot (-4) = -4x, 합 10x-10x ✓:

3x210x+8=(3x4)(x2).3x^2 - 10x + 8 = (3x-4)(x-2).

검산(전개): 3x26x4x+8=3x210x+83x^2 - 6x - 4x + 8 = 3x^2 - 10x + 8 ✓.

이번에도 공통인수가 먼저다

6x2+21x+9=3(2x2+7x+3)=3(2x+1)(x+3).6x^2 + 21x + 9 = 3(2x^2 + 7x + 3) = 3(2x+1)(x+3).

33을 먼저 묶으면 괄호 안은 ac=6ac = 6, b=7b = 7 — 쌍 (1,6)(1, 6)으로 가볍게 끝난다(2x2+x+6x+3=x(2x+1)+3(2x+1)2x^2 + x + 6x + 3 = x(2x+1) + 3(2x+1)). 묶지 않고 ac=54ac = 54부터 시작하면 같은 답에 도착하긴 하지만 훨씬 큰 수를 뒤지게 된다.

최고차항이 음수면 1-1부터 묶는 것도 같은 규칙의 일부다:

x2+5x6=(x25x+6)=(x2)(x3).-x^2 + 5x - 6 = -(x^2 - 5x + 6) = -(x-2)(x-3).

괄호를 열자마자 모든 항의 부호가 바뀌는 것(U4 뺄셈 규칙 그대로)만 조심하면 된다.

문제 탭에는 묶기와 AC법·십자 곱하기 기본기부터 두 문자 삼항식, "가능한 bb 모두 찾기", 그리고 2n2+7n+32n^2+7n+3이 소수가 될 수 있는지 묻는 경시 문제까지 열세 문제가 있다.

Goals
  • Factor four-term expressions by grouping them in pairs.
  • Factor ax2+bx+cax^2+bx+c with the AC method (splitting the middle term), and know why the method works.
  • Test candidates quickly with the cross method, and close every factorization with an expansion check.

Warm-up move: grouping in pairs

One new skill first. A four-term expression may have no factor common to everything, yet split it into pairs and each pair has one:

ab+2a+3b+6=a(b+2)+3(b+2).ab + 2a + 3b + 6 = a(b+2) + 3(b+2).

Pulling aa from the first pair and 33 from the second leaves the same parenthesis (b+2)(b+2) twice. That parenthesis is now itself a common factor:

a(b+2)+3(b+2)=(a+3)(b+2).a(b+2) + 3(b+2) = (a+3)(b+2).

This is factoring by grouping. The success signal is a single thing — do the two groups produce the same parenthesis? If not, re-pair and try again. Check at a=1,b=1a=1, b=1: original 1+2+3+6=121+2+3+6 = 12; result 4×3=124 \times 3 = 12 ✓.

ax2+bx+cax^2+bx+c: what gets harder

For x2+bx+cx^2+bx+c, two numbers with product cc and sum bb finished the job. Now a coefficient sits on x2x^2:

(2x+3)(x+4)=2x2+8x+3x+12=2x2+11x+12.(2x+3)(x+4) = 2x^2 + 8x + 3x + 12 = 2x^2 + 11x + 12.

Look at the middle 11x11x. It is not the sum of 33 and 44 — it is the outer product 2x4=8x2x \cdot 4 = 8x plus the inner product 3x=3x3 \cdot x = 3x. Hunting a constant pair is no longer enough; how the leading coefficient splits is tangled in. So we upgrade the tool.

The AC method: split the middle term

Read that expansion backwards. In 2x2+11x+122x^2+11x+12, if only we could split the middle term into 8x+3x8x + 3x, we would have four terms — and grouping takes over:

2x2+3x+8x+12=x(2x+3)+4(2x+3)=(2x+3)(x+4).2x^2 + 3x + 8x + 12 = x(2x+3) + 4(2x+3) = (2x+3)(x+4).

The question is how to know what to split 11x11x into. Answer: the two pieces must have product a×ca \times c and sum bb. Here, product 2×12=242 \times 12 = 24 and sum 1111 — the pair (3,8)(3, 8).

Why the product is acac. Expand in general:

(px+q)(rx+s)=prx2+(ps+qr)x+qs,(px+q)(rx+s) = pr\,x^2 + (ps+qr)\,x + qs,

so a=pra = pr, c=qsc = qs, and the middle term is built from the two pieces psps and qrqr. Their product is

(ps)(qr)=(pr)(qs)=ac.(ps)(qr) = (pr)(qs) = ac.

The two middle pieces always multiply to the product of the two ends — which is why "product acac, sum bb" is guaranteed to group.

Example 1 — The AC method, start to finish

Factor 4x2+4x154x^2 + 4x - 15.

Solution. ac=4×(15)=60ac = 4 \times (-15) = -60; we need a sum of 44, so opposite signs with the plus on the larger. From 60=6×1060 = 6 \times 10, the pair (10,6)(10, -6) works: product 60-60 ✓, sum 44 ✓. Split and group:

4x2+10x6x15=2x(2x+5)3(2x+5)=(2x+5)(2x3).4x^2 + 10x - 6x - 15 = 2x(2x+5) - 3(2x+5) = (2x+5)(2x-3).

Note the second group: pulling out 3-3 is what makes the parenthesis match (2x+5)(2x+5) — a group that starts with a negative term gets a negative factor pulled out. Check by expanding: 4x26x+10x15=4x2+4x154x^2 - 6x + 10x - 15 = 4x^2 + 4x - 15 ✓.

Note

The split order doesn't matter. Splitting 2x2+11x+122x^2 + 11x + 12 as 2x2+8x+3x+122x^2 + 8x + 3x + 12 instead gives 2x(x+4)+3(x+4)=(2x+3)(x+4)2x(x+4) + 3(x+4) = (2x+3)(x+4) — the same answer. Both roads reach the same place; split whichever way feels easier.

The cross method: fast candidate testing

When the numbers are small, drawing a little table and testing candidates directly is often faster. For 2x2+11x+122x^2+11x+12: split 2x22x^2 as 2xx2x \cdot x and 1212 into a factor pair, stack them in two columns, and check whether the diagonal products add up to the middle term:

2x x 3 4 3x 8x + 11x
The cross method: stack 2x over x and 3 over 4, then check that the diagonal products 3x and 8x sum to 11x

Diagonals: 3x+8x=11x3x + 8x = 11x ✓ — success. And then each row is a factor as it stands: top row (2x+3)(2x+3), bottom row (x+4)(x+4). On failure, try another split of 1212 (1×121 \times 12, 2×62 \times 6, …) or swap the arrangement. The candidates run out quickly — but whichever method you use, the last step is the expansion check.

Example 2 — Crossing

Factor 3x210x+83x^2 - 10x + 8.

Solution. 3x2=3xx3x^2 = 3x \cdot x. The constant's product is +8+8 with a negative middle, so both numbers are negative. Try placing (4,2)(-4, -2): the diagonals give 3x(2)=6x3x \cdot (-2) = -6x and x(4)=4xx \cdot (-4) = -4x, summing to 10x-10x ✓:

3x210x+8=(3x4)(x2).3x^2 - 10x + 8 = (3x-4)(x-2).

Check by expanding: 3x26x4x+8=3x210x+83x^2 - 6x - 4x + 8 = 3x^2 - 10x + 8 ✓.

Common factor first — still

6x2+21x+9=3(2x2+7x+3)=3(2x+1)(x+3).6x^2 + 21x + 9 = 3(2x^2 + 7x + 3) = 3(2x+1)(x+3).

Pull out the 33 first and the inside is ac=6ac = 6, b=7b = 7 — the pair (1,6)(1, 6) finishes it lightly (2x2+x+6x+3=x(2x+1)+3(2x+1)2x^2 + x + 6x + 3 = x(2x+1) + 3(2x+1)). Skip that step and you start from ac=54ac = 54: you'd land on the same answer, but after digging through much bigger numbers.

A negative leading term is the same rule in disguise — pull out 1-1 first:

x2+5x6=(x25x+6)=(x2)(x3).-x^2 + 5x - 6 = -(x^2 - 5x + 6) = -(x-2)(x-3).

Just remember that opening that first parenthesis flips every sign (the subtraction rule from the polynomials unit).

The problems tab runs from grouping and AC/cross basics through a two-variable trinomial, a "find every possible bb" hunt, and a contest question about whether 2n2+7n+32n^2+7n+3 can ever be prime — thirteen problems.