요약
이 수업은 남아 있던 경우, 곧 항을 포함하는 이차방정식으로 이차곡선의 연구를 마무리한다. 극좌표와 덧셈정리(차의 공식)를 이용하여 축이 각 만큼 회전할 때 점의 좌표가 어떻게 바뀌는지 유도하고, 회전이 거리를 보존하므로 어떤 도형의 모양도 바꾸지 않음을 증명한다. 회전 후 일반 방정식의 계수를 계산하고, 을 만족하는 각이 항을 소거하며 합 와 판별식 가 회전으로 바뀌지 않음을 증명한다. 이로부터 판별식의 부호에 의한 모든 이차방정식의 분류가 따라 나온다. 곧 타원, 포물선, 쌍곡선과 그 퇴화한 경우이다. 끝으로 쌍곡선 , 그리고 축이 비스듬한 타원과 포물선을 회전한 이차곡선으로 알아본다.
학습 목표
- 회전만큼 차이 나는 두 직교좌표계에서 한 점의 좌표를 연결하는 공식을 유도하고, 회전이 거리를 보존함을 증명한다.
- 회전 후 이차방정식의 계수를 계산하고 항을 소거하는 각을 고른다.
- 와 가 회전의 불변량임을 증명하고, 이를 이용하여 대입하지 않고 축약형을 얻는다.
- 일반 이차방정식을 판별식의 부호로 분류하고, 회전한 좌표에서 그 요소를 구하여 원래 좌표로 나타낸다.
좌표축의 회전
강좌 I의 원뿔곡선에 관한 수업에서, 항이 없는 이차방정식은 모두 포물선, 타원, 쌍곡선 또는 그 퇴화한 경우 중 하나를 나타내며 그 대칭축은 좌표축에 평행함을 증명했다. 그런데 장축이 직선 위에 있는 타원도 이차방정식을 가지며, 그 방정식에는 항이 나타난다. 이 타원을 알아보려면 처음 좌표계에 대하여 회전한 다른 좌표계를 골라, 그 안에서 곡선이 표준형을 되찾게 하는 것이 좋다. 이 절에서는 축을 회전할 때 점의 좌표가 어떻게 바뀌는지 살펴본다.
축이 와 인 직교좌표계를 강좌 I의 직선의 방정식과 직교좌표계에 관한 수업에서처럼 잡고, 를 실수라 하자. 각 만큼 회전한 좌표계란 원점과 길이의 단위가 같고, 가로축의 양의 반축이 원점에서 출발하여 표준 위치에서 각 를 이루는 반직선이며, 세로축의 양의 반축이 각 의 반직선인 직교좌표계이다. 새 좌표는 대문자로 쓴다. 같은 점 는 원래 좌표계에서 좌표 를, 회전한 좌표계에서 좌표 를 가진다. 두 좌표계는 향이 같으므로 회전한 좌표계에서도 극좌표가 정의되며, 극은 같고 의 양의 반축을 시초선으로 한다.
한 점이 직교좌표계에서 좌표 를, 회전한 좌표계에서 좌표 를 가지면(회전의 각은 ), 새 좌표는 원래 좌표로부터, 원래 좌표는 새 좌표로부터 아래 공식으로 얻어진다.
핵심은, 극좌표에서 축의 회전은 극까지의 거리를 바꾸지 않고 편각에서 를 빼기만 한다는 것이다. 나머지는 덧셈정리에 관한 수업에서 증명하는 덧셈정리가 맡는다.
증명
가 원점이면 그 좌표는 두 좌표계에서 모두 영이고 공식이 성립한다. 그렇지 않으면 원래 시초선에 대한 극좌표 표현 (단, )를 극좌표에 관한 수업에서처럼 잡는다.
회전한 좌표계에서도 극은 같으므로 에서 극까지의 거리는 여전히 이다. 를 회전한 좌표계에서 의 한 편각이라 하자. 단위원 위에서 새 시초선은 를 지난다. 거기서 호 를 따라가면, 각과 그 측정에 관한 수업의 호의 길이에 따른 이동의 공리의 이어 붙이기 성질에 의해 에 이르고, 이것은 점 (극에서 로 가는 반직선 위의 점)이어야 한다. 동경이 같은 각에 관한 보조정리에 의해 와 는 의 배수만큼 차이 나므로 으로 잡을 수 있다.
차의 코사인을 전개하고 각 항에서 원래 좌표를 알아본다.
같은 방법으로, 차의 사인을 이용한다.
거꾸로, 원래 각은 합 이다. 합의 공식이 원래 좌표를 새 좌표로 나타낸다.
두 쌍의 공식은 구조가 같다. 둘째 쌍은 첫째 쌍에서 를 로 바꾸면 얻어지는데, 원래 좌표계는 새 좌표계를 각 만큼 회전한 것이기 때문이다. 예를 들어 일 때 점 의 새 좌표는 과 이다. 이 점은 새 가로축 위에 있고, 원점에서 거리 만큼 떨어져 있다. 축의 회전과 점의 회전을 혼동해서는 안 된다. 축을 각 만큼 회전하면 점은 움직이지 않고 이름만 바뀌며, 그 결과는 축을 그대로 두고 평면 전체를 각 만큼 회전한 것과 같다.
두 점 사이의 거리는 회전한 좌표계에서의 좌표로 계산하든 원래 좌표로 계산하든 같다.
이 사실은 극좌표에 관한 수업에서 이미 보았다. 두 점 사이의 거리는 편각의 차를 통해서만 편각에 의존하고, 평면의 회전은 그 각들에 상수를 더하는 것이다. 여기서는 회전 공식과 삼각비에 관한 수업의 피타고라스 항등식으로 직교좌표에서 직접 확인한다.
증명
과 를 두 점이라 하고, 그 좌표를 원래 좌표계에서 과 , 회전한 좌표계에서 과 이라 하자. 각 점에 대하여 쓴 회전 공식을 변끼리 빼고 , 로 놓는다.
제곱하여 더한다. 두 배의 곱 와 는 서로 상쇄된다.
피타고라스 항등식에 의해 각 괄호는 과 같고, 원래 거리의 제곱이 남는다.
이 보조정리에는 이후의 모든 내용을 정당화하는 결과가 있다. 포물선, 타원, 쌍곡선은 앞선 수업들에서 초점과 준선까지의 거리의 성질로 정의되었다. 회전은 거리를 보존하므로, 회전한 좌표계에서 반축이 와 인 타원인 곡선은 원래 좌표계에서 보아도 같은 반축을 가진 타원이다(대칭축은 비스듬하더라도). 다른 이차곡선과 그 초점, 꼭짓점, 점근선도 마찬가지이며, 이들은 회전 공식으로 한 좌표계에서 다른 좌표계로 옮겨진다.
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