본문 바로가기
Topos Uranos

요약

이 수업에서는 원을 평면 위의 점, 직선, 다른 원과의 관계 속에서 다룬다. 점의 위치를 하나의 수, 곧 방멱으로 측정하는데, 방멱은 중심까지의 거리의 제곱과 반지름의 제곱의 차이다. 직선의 위치는 중심에서 직선까지의 거리를 반지름과 비교하여 판정하며, 이 판정법이 판별식에 의한 판정법과 일치함을 보인다. 접선이 반지름에 수직임을 증명하고 그 방정식을 이끌어 내며, 두 원의 여섯 가지 위치 관계를 근축을 이용하여 분류하고, 방멱 정리를 증명한다. 이 정리로부터 두 현에 관한 방멱 정리, 접선과 할선에 관한 방멱 정리, 외부의 점에서 그은 두 접선의 길이가 같다는 사실, 그리고 세 원의 근심이 얻어진다.

학습 목표

  1. 방멱과 중심에서 직선까지의 거리를 이용하여 원에 대한 점의 위치와 직선의 위치를 판정하고, 이 판정법을 판별식과 관련짓는다.
  2. 원 위의 한 점에서의 접선의 방정식과, 외부의 점에서 그은 두 접선의 방정식을 구한다.
  3. 두 원의 중심 사이의 거리를 반지름의 합 및 차와 비교하여 두 원의 위치 관계를 분류하고, 그 근축을 구한다.
  4. 방멱 정리와 그 결과들을 현, 접선, 자취에 관한 문제에 적용한다.

점의 위치와 방멱

타원과 원에 관한 수업에서는 중심이 C=(h,k)C = (h, k)이고 반지름이 rr인 원을 CC까지의 거리가 rr인 점들의 집합으로 정의하였고, 그 방정식 (x−h)2+(y−k)2=r2(x - h)^2 + (y - k)^2 = r^2을 얻었으며, 완전제곱식을 만들어 전개한 방정식 x2+y2+Dx+Ey+F=0x^2 + y^2 + Dx + Ey + F = 0에서 원을 알아보는 방법을 보였다. 이 수업은 거기서 출발한다. 점 PP의 CC까지의 거리를 dd라 하자. d<rd < r이면 그 점은 원의 내부에 있다고 하고, d=rd = r이면 원 위에 있다고 하며, d>rd > r이면 원의 외부에 있다고 한다. dd와 rr은 음수가 아니므로, 이 둘을 비교하는 것은 그 제곱을 비교하는 것과 동치이다. 이는 실수 직선에 관한 수업의 부등식의 규칙에 따른다. 따라서 PP의 위치는 단 하나의 수의 부호로 결정된다.

중심이 C=(h,k)C = (h, k)이고 반지름이 rr인 원이 있고, 점 P=(x0,y0)P = (x_0, y_0)의 CC까지의 거리를 dd라 하자. 원에 대한 PP의 방멱은 수 p=d2−r2p = d^2 - r^2이다. p<0p < 0이면 그 점은 내부에 있고, p=0p = 0이면 원 위에 있으며, p>0p > 0이면 외부에 있다.

거리 공식을 이용하면 방멱은 좌표로 아래와 같이 쓸 수 있다.

p=(x0−h)2+(y0−k)2−r2p = (x_0 - h)^2 + (y_0 - k)^2 - r^2

우변은 모든 항을 좌변으로 옮겨 쓴 원의 방정식의 좌변을 (x0,y0)(x_0, y_0)에서 계산한 값이다. 원이 전개한 꼴로 주어지고 제곱항의 계수가 11(x2x^2과 y2y^2 모두)일 때, 그 좌변은 같은 다항식을 전개한 것일 뿐이다. 따라서 방멱은 점의 좌표를 x2+y2+Dx+Ey+Fx^2 + y^2 + Dx + Ey + F에 대입하면 얻어지며, 중심과 반지름을 구할 필요가 없다. 예를 들어 원 x2+y2−2x−4y−20=0x^2 + y^2 - 2x - 4y - 20 = 0(중심 (1,2)(1, 2), 반지름 55)에 대하여, 점 (4,6)(4, 6)의 방멱은 00이고 이 점은 원 위에 있으며, 점 (3,5)(3, 5)의 방멱은 −12-12이고 이 점은 내부에 있고, 점 (7,2)(7, 2)의 방멱은 1111이고 이 점은 외부에 있다. 방멱이라는 이름의 까닭은 방멱 정리를 다루는 곳에서 밝혀지는데, 거기서 이 수가 중심과 무관하게 두 거리의 곱을 측정한다는 것을 보게 된다.