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Topos Uranos

요약

이 수업에서는 회전을 그 방향과 함께 재며 한 바퀴를 넘을 수도 있는 유향각과, 그 두 가지 통상적인 측정법을 정의한다. 하나는 오래된 약속으로 정해진 육십분법의 도이고, 다른 하나는 각이 단위원에서 대하는 호의 길이인 라디안이다. 원의 둘레의 길이, 호가 반지름에 비례한다는 것, 대칭이동이 길이를 보존한다는 것을 받아들이고, 수 π\pi를 단위원의 둘레의 길이의 절반으로 정의하며, 각 실수에 그 원의 한 점을 대응시키는 호의 길이에 따른 이동의 공리를 진술한다. 이로부터 이동의 두 번째 반 바퀴에서의 성질, 도와 라디안 사이의 환산 규칙, 호의 길이, 부채꼴의 넓이, 원주각의 정리를 이끌어 낸다. 이어서 각을 표준 위치에 놓고, 모든 각이 첫 바퀴의 각 하나로 유일하게 환원된다는 것과 한 바퀴가 같은 점을 두 번 지나지 않는다는 것을 증명하며, 동경이 같은 각을 특징짓고, 각속도를 선속도와 연결한다. 예제에서는 에라토스테네스처럼 지구를 재고, 활꼴의 넓이를 계산하며, 체인으로 회전을 전달하고, 둘레가 일정한 부채꼴의 넓이를 최대로 하며, 시계 바늘이 겹치는 횟수를 센다.

학습 목표

  1. 유향각의 시초선과 동경을 구별하고, 그것을 도, 분, 초로 재며, 회전 방향에 따라 그 부호를 판정한다.
  2. 호의 길이에 따른 이동의 공리를 진술하고, 이를 이용하여 라디안을 정의하며, 도와 라디안 사이에서 크기를 환산한다. 특히 특수각의 크기를 환산한다.
  3. 호의 길이와 부채꼴의 넓이의 공식, 원주각의 정리, 각속도와 선속도의 관계를 증명하고 응용한다.
  4. 임의의 각을 첫 바퀴의 각으로 환원하면서 그 환원의 존재성과 유일성을 증명하고, 두 각의 동경이 같은지 판정한다.

유향각

초등기하학에서 각은 시작점을 공유하는 두 반직선이 이루는 도형이며, 그 크기는 0∘0^\circ와 180∘180^\circ 사이에 있다. 바퀴의 회전, 시계 바늘의 회전, 자전축을 중심으로 한 지구의 회전과 같은 회전을 연구하는 데에는 이 개념으로 충분하지 않다. 얼마나 돌았는지, 어느 방향으로 돌았는지가 중요하며, 회전은 여러 바퀴를 돌 수도 있다. 그래서 각을 회전의 결과로 생각한다.

유향각은 시초선이라 부르는 반직선이 꼭짓점이라 부르는 그 시작점을 중심으로 회전하여 동경이라 부르는 마지막 위치를 차지할 때, 그 반직선과 수행된 회전에 의해 정해진다. 회전이 시계 바늘이 도는 방향과 반대로(시계 반대 방향) 이루어지면 각은 양이고, 시계 바늘이 도는 방향으로(시계 방향) 이루어지면 음이다. 영각은 회전하지 않는 각이다.

같은 한 쌍의 변에 많은 유향각이 대응할 수 있다. 시계 반대 방향으로 사분의 일 바퀴를 돌아도, 시계 방향으로 사분의 삼 바퀴를 돌아도, 사분의 일 바퀴에 한 바퀴를 더 돌아도 동경은 같은 위치를 차지한다. 이 각들은 같은 변에서 끝나더라도 서로 다른 회전을 나타내므로 서로 다른 각이다. 이들이 어떻게 관련되는지는 이 수업의 세 번째 부분에서 밝힌다.

육십분법

가장 오래된 각의 측정법은 한 바퀴를 360360개의 같은 호로 나누고, 그 각각에 대한 각을 도라 부른다. 각의 크기가 gg도라는 것은 그 호가 1도의 호의 gg배라는 뜻이며, 따라서 도로 나타낸 크기는 호의 길이에 비례한다. 1도는 6060분으로, 1분은 6060초로 나뉜다. 이 체계는 육십을 밑으로 하여 수를 세던 바빌로니아 천문학에서 유래하며, 이에 관해서는 강좌 I의 위치적 기수법에 관한 수업에서 설명하였다. 수 360360은 무엇보다도 22, 33, 44, 55, 66, 88, 99, 1010, 1212로 나누어떨어진다는 장점이 있다. 직각은 90∘90^\circ, 평각은 180∘180^\circ, 한 바퀴는 360∘360^\circ이다. 음의 각은 음의 부호를 붙여 재므로, 시계 방향으로 사분의 일 바퀴는 −90∘-90^\circ이다. 40도 15분 36초인 각은 각 수 뒤에 도의 기호를, 분에는 아포스트로피 하나를, 초에는 둘을 써서 줄여 쓰는데, 도로 나타내면 아래와 같고, 즉 40.26도이다.

40+1560+363600=40+14+1100=20135040 + \frac{15}{60} + \frac{36}{3600} = 40 + \frac{1}{4} + \frac{1}{100} = \frac{2013}{50}

그러나 수 360360은 약속일 뿐이다. 원의 기하학에서 그것을 다른 수와 구별해 주는 것은 아무것도 없다. 원 자체에서 생겨나는 방법으로 각을 재면 호의 길이와 부채꼴의 넓이의 공식, 그리고 나중에는 삼각함수의 공식도 간단해진다.

라디안

착상은 꼭짓점을 중심으로 하는 원(반지름은 11)에서 각이 대하는 호의 길이로 그 각을 재는 것이다. 이를 위해서는 호의 길이가 무엇인지 알아야 하는데, 여기서 어려움이 나타난다. 호는 선분들의 합집합이 아니며, 그 길이는 호에 내접하는 꺾은선의 변을 점점 짧게 할 때 그 길이들이 가까워지는 값으로, 즉 극한으로 정의된다. 그 연구는 미적분학 II 강좌에서 다루며, 거기서 곡선의 길이와 곡선으로 둘러싸인 영역의 넓이를 계산한다. 여기서는 아래의 사실들을 받아들인다.

증명 없이 받아들이는 사실 (원에서의 길이와 넓이). 원의 모든 호는 길이를 가지며, 선분과 호로 둘러싸인 모든 영역은 넓이를 가진다. 합동인 도형은 같은 길이 또는 같은 넓이를 가진다. 한 도형이 서로 겹치지 않는 두 도형으로 분해되면 그 크기는 두 부분의 크기의 합이다. 한 영역이 다른 영역을 포함하면 그 넓이는 더 작지 않고, 그 차가 어떤 원판을 포함하면 더 크다. 또한 두 원의 반지름이 rr과 RR일 때, 같은 중심각이 그 원들에서 대하는 호는 반지름에 비례하며, 반지름이 rr인 원판의 넓이는 πr2\pi r^2이다.

이 사실은 증명 없이 받아들인다. 호의 길이와 곡선으로 둘러싸인 영역의 넓이는 극한으로 정의되고 적분으로 계산되기 때문이며, 이는 미적분학 II 강좌에서 한다. 그 마지막 부분은 수 π\pi를 이미 알고 있다고 가정하므로, 이제 이를 정의한다. 수 π\pi는 단위원의 둘레의 길이의 절반, 즉 반지름이 11인 원의 둘레의 길이의 절반이다. 호가 반지름에 비례한다는 것을 한 바퀴의 각에 적용하면, 반지름이 rr인 원의 둘레의 길이는 2πr2\pi r이고, 임의의 원의 둘레의 길이와 그 지름의 비는 항상 π\pi이다. 또한 π\pi가 무리수이며 그 소수 표현이 3.14159로 시작한다는 것도 받아들인다. 특히 3<π<43 < \pi < 4이다.

각을 재려면 또한 원을 호의 길이에 따라 이동할 수 있어야 한다. 즉 한 점에서 출발하여 원 위를 주어진 길이만큼 한쪽 방향 또는 다른 쪽 방향으로 나아가, 어느 점에 이르는지 알아야 한다. 이 단원이 각과 삼각함수에 관해 말하는 모든 것은 이 이동에 바탕을 두고 있으므로, 이에 관해 무엇을 받아들이는지 정확히 진술해 두는 것이 좋다. 진술은 좌표평면에서, 단위원 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1과 그 위의 점 A=(1,0)A = (1, 0)에 대해 한다. 도형을 움직여도 길이는 변하지 않으므로, 반지름이 11인 임의의 원과 임의의 출발점에 대해서도 똑같이 성립한다.

공리 (호의 길이에 따른 이동). 각 실수 ss에 대하여 단위원 위의 점 P(s)P(s)가 단 하나 존재하는데, 이는 A=(1,0)A = (1, 0)에서 출발하여 원 위를 길이 ∣s∣\abs{s}만큼, s>0s > 0이면 시계 반대 방향으로, s<0s < 0이면 시계 방향으로, 필요한 만큼 여러 바퀴를 돌면서 나아갈 때 이르는 점이다. s=0s = 0일 때는 P(0)=AP(0) = A이다. 이 이동은 아래의 네 가지 성질을 가진다.
  1. 이어 붙이기: 점 P(s)P(s)에서 길이 t≥0t \geq 0만큼 시계 반대 방향으로 나아가면 P(s+t)P(s + t)에 이르고, 시계 방향으로 나아가면 P(s−t)P(s - t)에 이른다.
  2. 주기성: 어느 방향이든 한 바퀴는 원의 길이 2π2\pi만큼 나아가 출발점으로 돌아온다. 즉 P(s+2π)=P(s)P(s + 2\pi) = P(s)가 모든 실수 ss에 대하여 성립한다.
  3. 반 바퀴: 시계 반대 방향의 이동은 먼저 위쪽 반원을 오른쪽에서 왼쪽으로 지난다. 정확히 말하면 P(π)=(−1,0)P(\pi) = (-1, 0)이고, 0≤s<t≤π0 \leq s < t \leq \pi이면 점 P(s)P(s)와 P(t)P(t)의 세로 좌표는 음이 아니며, P(s)P(s)의 가로 좌표는 P(t)P(t)의 가로 좌표보다 크다.
  4. 덮음: 단위원의 모든 점은 P(s)P(s)이다. 단, ss는 어떤 실수이다.

이 공리는 위의 사실과 같은 이유로 증명 없이 받아들인다. 호의 길이는 극한으로 정의되고, 그 성질은 미적분학 II 강좌에서 증명된다. 원을 따라 이동할 때 어떤 점도 건너뛰지 않는다고 주장하는 덮음 성질은, 또한 연속함수의 중간값 성질에 바탕을 두며, 이 성질은 미적분학 I 강좌에서 증명된다. 반 바퀴의 성질에는 간단한 기하학적 해석이 있다. (x,y)(x, y)가 단위원 위에 있으면, 점 AA까지의 거리의 제곱은 아래와 같다.

(x−1)2+y2=x2+y2−2x+1=2−2x(x - 1)^2 + y^2 = x^2 + y^2 - 2x + 1 = 2 - 2x

따라서 위쪽 반원을 따라 가로 좌표가 순감소한다는 것은 AA와 이동으로 도달한 점을 잇는 현이 호와 함께 순증가하여 반 바퀴 끝에서 지름이 된다는 것과 동치이다. 삼각비에 관한 수업에서 ss의 코사인을 P(s)P(s)의 가로 좌표로 정의하면, 이 성질은 코사인이 [0,π]\icc{0}{\pi}에서 순감소한다는 것을 말해 준다. 이 단조성은 이끌어 낸 것이 아니라, 좌표로 읽은 반 바퀴 조항 그 자체이다. 그런데 이 공리와, 길이와 넓이에 관한 사실들과, 곧이어 받아들일 대칭이동에 관한 사실로부터, 이동에 관해 사용하는 나머지 모든 것이 유도된다. 이 수업에서는 두 번째 반 바퀴에서의 성질과 한 바퀴가 같은 점을 두 번 지나지 않는다는 것이, 역삼각함수에 관한 수업에서는 사인과 탄젠트의 단조성이 그러하다.

증명 없이 받아들이는 사실 (대칭이동과 반 바퀴 회전). 직선에 대한 대칭이동은 거리를 보존하고, 그와 함께 호의 길이도 보존하지만, 회전 방향을 뒤집는다. 즉 그 직선 위의 점을 중심으로 하는 원의 시계 반대 방향 이동을 같은 길이의 시계 방향 이동으로 옮기며, 그 역도 마찬가지이다. 한 점을 중심으로 하는 반 바퀴 회전은 그 점을 지나는 서로 수직인 두 직선에 대한 대칭이동의 합성이며, 거리와 길이, 그리고 회전 방향도 보존한다.

이 사실은 평면의 운동에 관한 초등기하학에 속하며, 이 강좌에서는 다루지 않는다. 좌표로는 xx축에 대한 대칭이동이 변환 (x,y)↦(x,−y)(x, y) \mapsto (x, -y)이다. 이것은 단위원을 자기 자신으로 옮기는데, x2+(−y)2=x2+y2x^2 + (-y)^2 = x^2 + y^2이기 때문이다. 또 점 A=(1,0)A = (1, 0)를 고정한다. 이를 이용하면 이동의 두 번째 반 바퀴를 첫 번째 반 바퀴로부터 얻는다.

명제두 번째 반 바퀴

모든 실수 uu에 대하여 점 P(−u)P(-u)는 P(u)P(u)의 xx축에 대한 대칭점이다. 또한 π≤s<t≤2π\pi \leq s < t \leq 2\pi이면 점 P(s)P(s)와 P(t)P(t)의 세로 좌표는 양이 아니며, P(s)P(s)의 가로 좌표는 P(t)P(t)의 가로 좌표보다 작다. 즉 두 번째 반 바퀴에서 시계 반대 방향의 이동은 아래쪽 반원을 왼쪽에서 오른쪽으로 지난다.

이동을 xx축에 대하여 대칭이동하고, 주기성에 의해 거꾸로 따라간 첫 번째 반 바퀴를 두 번째 반 바퀴로 옮긴다. (xw,yw)(x_w, y_w)를 P(w)P(w)의 좌표로 쓰고, σ\sigma를 xx축에 대한 대칭이동으로 쓴다.

증명

  1. σ(x,y)=(x,−y),σ(A)=A\sigma(x, y) = (x, \resaltar{-y}), \quad \sigma(A) = A

    대칭이동 σ\sigma는 세로 좌표의 부호를 바꾸고, 단위원을 자기 자신으로 옮기며, 점 AA를 고정한다.

  2. P(−u)=σ(P(u))=(xu,−yu)\dato{r}{P(-u) = \resaltar{\sigma(P(u))} = \left( x_u, -y_u \right)}

    u≥0u \geq 0이라 하자. 받아들인 사실에 의해, σ\sigma는 길이 uu의 시계 반대 방향 이동(AA에서 출발하여 P(u)P(u)에서 끝나는 것)을, AA에서 출발하는 같은 길이의 시계 방향 이동으로 옮긴다. 공리에서 점의 유일성에 의해 이 이동은 P(−u)P(-u)에서 끝난다. u<0u < 0이면 위의 결과를 −u-u에 적용하고 다시 대칭이동한다. σ\sigma를 두 번 적용하면 각 점이 제자리에 있기 때문이다.

  3. P(s)=P(−u)=(xu,−yu),P(t)=(xv,−yv)P(s) = P(\resaltar{-u}) = \dato{st}{\resaltar{\left( x_u, -y_u \right)}}, \quad P(t) = \left( x_v, -y_v \right)

    π≤s<t≤2π\pi \leq s < t \leq 2\pi라 하고, u=2π−su = 2\pi - s, v=2π−tv = 2\pi - t라 하자. 이들은 0≤v<u≤π0 \leq v < u \leq \pi를 만족한다. 주기성에 의해 P(s)=P(s−2π)=P(−u)P(s) = P(s - 2\pi) = P(-u)이고, 이는 P(u)P(u)의 대칭점이다. 마찬가지로 P(t)P(t)는 P(v)P(v)의 대칭점이다.

  4. xs=xu<xv=xt,ys=−yu≤0,yt=−yv≤0x_s = \resaltar{x_u < x_v} = x_t, \quad y_s = -y_u \leq 0, \quad y_t = -y_v \leq 0

    반 바퀴의 성질을 v<uv < u에([0,π]\icc{0}{\pi}에서) 적용하면, P(u)P(u)와 P(v)P(v)의 세로 좌표는 음이 아니고 P(v)P(v)의 가로 좌표는 P(u)P(u)의 가로 좌표보다 크다. 대칭이동은 가로 좌표를 보존하고 세로 좌표의 부호를 바꾼다. 이로써 명제의 내용이 얻어진다.

단위원의 중심 OO를 꼭짓점으로 하는 유향각을 생각하고, AA를 시초선이 그 원과 만나는 점이라 하자. 변이 회전하면 점 AA는 위의 공리에서처럼 원의 호를 따라 이동한다. 각의 호도법으로 나타낸 크기는 그 호의 길이에, 회전이 시계 반대 방향이면 양의 부호를, 시계 방향이면 음의 부호를 붙인 것이다. 회전이 여러 바퀴를 돌면 한 바퀴마다 원의 길이 2π2\pi가 더해진다.
예시라디안으로 잰 몇 가지 각

이 정의를 이용하면 한 바퀴의 간단한 분수인 각을 곧바로 잴 수 있다.

증명

  1. L=2πL = 2\pi

    단위원의 중심은 꼭짓점 OO이고 반지름은 11이다. π\pi의 정의에 의해 그 길이는 2π2\pi이다. 시초선은 이 원과 점 AA에서 만난다.

  2. θ=s\theta = s

    변을 시계 반대 방향으로 회전시키면 점 AA는 호를 따라 이동한다. 그 호의 길이 ss가 각의 크기이다.

  3. s=1→θ=1s = 1 \rightarrow \theta = 1

    1라디안은 호의 길이가 반지름과 같은 각이다. 2π2\pi는 66보다 조금 크므로, 1라디안은 한 바퀴의 육분의 일보다 조금 작다.

  4. θ=2π4=π2\theta = \frac{\resaltar{2\pi}}{4} = \resaltar{\frac{\pi}{2}}

    사분의 일 바퀴는 원의 사분의 일을 지난다. 직각은 π2\frac{\pi}{2}라디안이다.

  5. θ=π,θ=2π\theta = \pi, \quad \theta = 2\pi

    반 바퀴는 원의 절반을 지나며, 그 길이는 정의에 의해 π\pi이다. 한 바퀴는 2π2\pi이다.

  6. θ=−π2\theta = -\frac{\pi}{2}

    변을 시계 방향으로 사분의 일 바퀴 회전시키면 지나는 호의 길이는 같지만 각은 음이 된다.

라디안으로 잰 각은 단위가 없는 실수이다. 그것은 호의 길이와 반지름의 길이의 비이며, 반지름의 길이는 11이다. 그래서 2라디안인 각에 대해서는 간단히 θ=2\theta = 2라고 쓰고, 단위를 강조하고 싶을 때는 2 rad라고 쓴다. 반면 도로 나타낸 크기에는 항상 그 기호를 붙인다. 30∘30^\circ에서처럼 말이다. 역으로 모든 실수는 어떤 유향각의 크기이다. 이동의 공리에 의해 각 θ\theta에 대하여 점 AA는 원 위를 길이 ∣θ∣\abs{\theta}만큼, θ\theta의 부호가 나타내는 방향으로, 필요한 만큼 여러 바퀴를 돌면서 이동할 수 있으며, 꼭짓점에서 도달한 점으로 향하는 반직선이 동경이 된다.

도와 라디안 사이의 환산

한 바퀴는 360∘360^\circ이며 또한 2π2\pi라디안이고, 두 크기는 모두 각이 단위원에서 대하는 호의 길이에 비례하므로(도는 도의 정의에 의해, 라디안은 그것이 바로 그 길이이므로), 한 각의 두 크기는 비례한다.

정리도와 라디안 사이의 환산

한 각이 gg도이고 θ\theta라디안이면, θ=πg180\theta = \frac{\pi g}{180}이고 g=180θπg = \frac{180 \theta}{\pi}이다.

이 규칙은 각과 한 바퀴의 비로부터 얻으며, 이어서 원의 주요 눈금, 즉 초등적인 도형에 나타나는 각에 적용한다.

증명

  1. 360∘=2π\dato{v}{360^\circ = 2\pi}

    한 바퀴는 360360도이고 2π2\pi라디안이다.

  2. θ2π=g360→θ=2πg360=πg180\frac{\theta}{2\pi} = \frac{g}{360} \rightarrow \dato{c}{\theta = \resaltar{\frac{2\pi g}{360}} = \resaltar{\frac{\pi g}{180}}}

    각과 한 바퀴의 비는 두 크기에서 같다. 둘 다 호의 길이에 비례하기 때문이다. 한 바퀴가 더해질 때마다 한쪽에는 360∘360^\circ가, 다른 쪽에는 2π2\pi가 더해진다. θ\theta에 대하여 풀면 규칙이 얻어진다.

  3. 1∘=π180,1=(180π)∘1^\circ = \frac{\pi}{180}, \quad 1 = \left( \frac{180}{\pi} \right)^\circ

    g=1g = 1과 θ=1\theta = 1로 놓으면, 1도는 라디안의 작은 분수이고, 1라디안은 5757도보다 조금 크다. 180π\frac{180}{\pi}가 약 57.3이기 때문이다.

  4. 30∘=30π180=π6,45∘=π4,60∘=π330^\circ = \resaltar{\frac{30\pi}{180}} = \resaltar{\frac{\pi}{6}}, \quad 45^\circ = \frac{\pi}{4}, \quad 60^\circ = \frac{\pi}{3}

    3030도, 4545도, 6060도인 각은 정삼각형과 정사각형에 나타나며, 분수를 약분하여 환산한다.

  5. 90∘=π2,180∘=π,270∘=3π290^\circ = \frac{\pi}{2}, \quad 180^\circ = \pi, \quad 270^\circ = \frac{3\pi}{2}

    직각, 평각, 사분의 삼 바퀴는 반축을 나타낸다.

  6. 120∘=2π3,135∘=3π4,150∘=π−π6=5π6120^\circ = \frac{2\pi}{3}, \quad 135^\circ = \frac{3\pi}{4}, \quad 150^\circ = \resaltar{\pi - \frac{\pi}{6}} = \resaltar{\frac{5\pi}{6}}

    한 바퀴의 나머지 특수각은 더하거나 빼서 얻는다. 예를 들어 150∘150^\circ는 180∘180^\circ에서 30∘30^\circ를 뺀 것이다.

실제로 도를 라디안으로 바꾸려면 π180\frac{\pi}{180}을 곱하고, 라디안을 도로 바꾸려면 180π\frac{180}{\pi}를 곱한다. 그러므로 225∘=5π4225^\circ = \frac{5\pi}{4}, −60∘=−π3-60^\circ = -\frac{\pi}{3}, 7π6=210∘\frac{7\pi}{6} = 210^\circ이다. 22라디안인 각은 360π\frac{360}{\pi}도, 약 114.6도이다.

호의 길이와 부채꼴의 넓이

반지름이 rr인 원에서 중심각 θ\theta는 호에 대하며, 각의 두 변과 그 호는 부채꼴을 둘러싼다. 호도법으로 나타낸 크기는 그 공식에 특히 간단한 형태를 준다.

정리호의 길이와 부채꼴의 넓이

반지름이 rr인 원에서 θ\theta라디안인 중심각(단, 0<θ≤2π0 < \theta \leq 2\pi)은 길이가 s=rθs = r\theta인 호에 대하고, 그것이 정하는 부채꼴의 넓이는 A=12r2θ=12rsA = \frac{1}{2} r^2 \theta = \frac{1}{2} rs이다.

호의 길이는 받아들인 비례 관계에서 따라 나온다. 넓이에 대해서는 먼저 각이 한 바퀴의 유리수배일 때 공식을 증명하고, 이어서 유리수의 조밀성을 이용하여 모든 각으로 확장한다. 유리수의 조밀성은 강좌 I의 실수 직선에 관한 수업에서 증명하였다.

증명

  1. s1=θs_1 = \theta

    같은 중심을 가진 단위원에서 각은 라디안의 정의에 의해 길이 θ\theta의 호에 대한다.

  2. s=rs1=rθs = r \resaltar{s_1} = \dato{s}{\resaltar{r\theta}}

    호가 반지름에 비례한다는 것에 의해, 반지름이 rr인 원에서 대응하는 호는 rr배 길다.

  3. A=pqπr2=12r2θA = \resaltar{\frac{p}{q} \pi r^2} = \dato{f}{\resaltar{\frac{1}{2} r^2 \theta}}

    θ=2πpq\theta = \frac{2\pi p}{q}이고 pp와 qq가 자연수이며 p≤qp \leq q이면, 원판은 합동인 부채꼴 qq개로 나뉘고, 그 중심각은 2πq\frac{2\pi}{q}, 넓이는 각각 πr2q\frac{\pi r^2}{q}이며, 중심각이 θ\theta인 부채꼴은 그중 pp개의 합집합이다.

  4. 2Ar2<φ<θ→A<12r2φ=Aφ≤A\frac{2A}{r^2} < \varphi < \theta \rightarrow A < \resaltar{\frac{1}{2} r^2 \varphi} = A_\varphi \leq A

    이제 θ\theta를 임의로 잡고, 그 부채꼴의 넓이 AA가 12r2θ\frac{1}{2} r^2 \theta보다 작다고 가정하자. 유리수의 조밀성에 의해, 한 바퀴의 유리수배인 각 φ\varphi로서 2Ar2\frac{2A}{r^2}와 θ\theta 사이에 있는 것이 존재한다. 그 부채꼴은 θ\theta의 부채꼴에 포함되며, 그 넓이는 앞에서 얻은 공식으로 주어진다. 이로써 모순에 이른다.

  5. A=12r2θ=12rsA = \frac{1}{2} r^2 \theta = \frac{1}{2} r \resaltar{s}

    마찬가지로 φ\varphi를 θ\theta와 2Ar2\frac{2A}{r^2} 사이에 잡으면(부채꼴은 원판을 넘지 않으므로 한 바퀴를 넘지 않는다), AA가 12r2θ\frac{1}{2} r^2 \theta보다 크다는 것도 배제된다. 따라서 넓이는 주장한 대로이며, rθ=sr\theta = s을 이용하면 밑변이 ss이고 높이가 rr인 삼각형의 넓이의 공식과 비슷한 공식이 된다.

각을 도로 잰다면 공식에 환산 계수가 들어간다. 호는 πrg180\frac{\pi r g}{180}, 부채꼴의 넓이는 πr2g360\frac{\pi r^2 g}{360}이 된다. s=rθs = r\theta의 간단함이 라디안을 선호하는 주된 이유이다. 또한 이 공식은 단위원에서뿐 아니라 임의의 원에서 각의 크기를 준다. θ=sr\theta = \frac{s}{r}는 호와 반지름의 비이며, 선택한 반지름에 의존하지 않는다.

원주각

꼭짓점이 원의 중심에 있는 각을 중심각이라 한다. AA, BB, CC가 원 위의 서로 다른 세 점일 때, CC에서 현 CACA와 CBCB가 이루는 각을 원주각이라 하며, 그 각은 양 끝이 AA와 BB이고 CC를 포함하지 않는 호에 대한다고 한다. 위의 정리에 의해, 길이가 ss인 호(반지름이 rr인 원의 호)에는 sr\frac{s}{r}라디안인 중심각이 대응하며, 이 수가 π\pi를 넘더라도 그러하다. 원주각을 중심각과 비교하기 위해 초등기하학의 아래 사실들을 받아들인다. 이 강좌는 종합기하학을 다루지 않으므로 이를 증명하지 않는다. 처음 두 사실은 삼각형의 각을 재고, 나중의 두 사실은 위치에 관한 사실로서, 반직선이 각의 내부를 지날 때 각과 호가 어떻게 나뉘는지를 말해 준다.

증명 없이 받아들이는 사실 (삼각형의 각과 원 위의 위치). 아래의 네 가지 주장을 받아들인다. 여기서 방향이 없는 각은 라디안으로 재며, 00과 π\pi 사이의 값을 가진다.
  1. 각의 합: 삼각형의 세 각의 합은 평각, 즉 π\pi라디안이다.
  2. 이등변삼각형: 두 변의 길이가 같은 삼각형에서 그 변들과 마주 보는 각은 같다.
  3. 이웃한 각의 합: 각의 꼭짓점에서 출발하는 반직선이 그 내부를 지나면, 그 반직선은 각을 두 각으로 나누고, 그 크기의 합은 주어진 각의 크기와 같다.
  4. 중심의 위치: AA, BB, CC를 중심이 OO인 원 위의 서로 다른 세 점이라 하고, DD를 CC에서 출발하는 지름의 다른 끝점이라 하자. OO가 현 CACA 위에도 현 CBCB 위에도 있지 않으면, 두 경우 중 하나가 일어난다. 하나는 OO가 CC에서 그 현들이 이루는 각의 내부에 있는 경우로, 이때 CC에서 DD로 향하는 반직선은 그 내부를 지나고, DD는 양 끝이 AA와 BB이고 CC를 포함하지 않는 호 위에 있다. 다른 하나는 OO가 그 각의 외부에 있는 경우로, 이때 점 AA와 BB 중 하나(이를 AA라 불러도 된다)는 양 끝이 DD와 BB이고 CC를 포함하지 않는 호 위에 있으며, CC에서 AA로 향하는 반직선은 CC에서 현 CDCD와 CBCB가 이루는 각의 내부를 지난다.
정리원주각은 그것이 대하는 호의 절반이다

AA, BB, CC를 중심이 OO이고 반지름이 rr인 원 위의 서로 다른 세 점이라 하고, ss를 양 끝이 AA와 BB이고 CC를 포함하지 않는 호의 길이라 하자. 원주각 γ\gamma, 즉 CC에서 현 CACA와 CBCB가 이루는 각은 그 호에 대응하는 중심각의 절반이다.

γ=s2r\gamma = \frac{s}{2r}

증명에서는 먼저 원주각의 한 변이 중심을 지나는 경우를 다루고, 중심의 위치에 관한 받아들인 사실의 나머지 두 경우를 CC에서 출발하는 지름을 이용하여 이 경우로 환원한다.

증명

  1. α=γ\dato{i}{\alpha = \gamma}

    먼저 중심 OO가 현 CBCB 위에 있다고 가정하자. 그러면 이 현은 지름이다(현 CACA 위에 있는 경우도 마찬가지이다). α\alpha를 AA에서의 각이라 하자. 이는 꼭짓점이 OO, CC, AA인 삼각형의 각이며, 이 삼각형은 진짜 삼각형이다. AA는 CC와도 BB와도 다르므로 그것들을 잇는 직선 위에 있지 않기 때문이다. 이 삼각형은 이등변삼각형이다. OAOA와 OCOC가 반지름이기 때문이다. 그리고 CC에서의 각과 AA에서의 각은 같다.

  2. δ=π−(π−α−γ)=α+γ=2γ<π\delta = \pi - \left( \pi - \alpha - \gamma \right) = \resaltar{\alpha + \gamma} = \dato{d}{\resaltar{2\gamma}} < \pi

    δ\delta를 반지름 OAOA와 OBOB가 이루는 중심각이라 하자. CC, OO, BB가 한 직선 위에 있으므로, δ\delta와 삼각형의 OO에서의 각의 합은 π\pi이다. 삼각형의 세 각의 합도 π\pi이므로, δ\delta는 나머지 두 각의 합이다. 또한 OO에서의 각은 양이므로 α+γ\alpha + \gamma는 π\pi보다 작고, δ\delta도 그러하다.

  3. s=rδ=2rγ→γ=s2rs = r \resaltar{\delta} = \resaltar{2r\gamma} \rightarrow \dato{c}{\gamma = \frac{s}{2r}}

    반지름 OAOA와 OBOB는 원을 두 호로 나눈다. δ<π\delta < \pi이므로, 호의 정리에 의해 δ\delta가 대하는 호의 길이는 rδr\delta로 반원보다 짧고, 다른 호는 더 길다. 점 CC는 지름의 BB 반대쪽 끝점이며, 어느 방향으로든 BB에서 반원만큼 떨어져 있으므로 짧은 호 위에 있지 않다. 따라서 이것이 γ\gamma가 대하는 호이고, s=rδs = r\delta이다.

  4. γ=s12r+s22r=s1+s22r=s2r\gamma = \frac{s_1}{2r} + \frac{s_2}{2r} = \frac{\resaltar{s_1 + s_2}}{2r} = \frac{\resaltar{s}}{2r}

    중심이 각의 내부에 있으면, DD를 CC에서 출발하는 지름의 다른 끝점이라 하자. 중심의 위치에 관한 받아들인 사실에 의해 CC에서 DD로 향하는 반직선은 각을 둘로 나누며, 각각은 한 변이 중심을 지나고, 이웃한 각의 합에 의해 그 크기의 합은 γ\gamma이다. 또한 DD는 대하는 호를 길이가 s1s_1과 s2s_2인 두 호로 나누며, 그 합은 ss이다. 앞의 경우를 두 각 각각에 적용하면 아래와 같은 결과를 얻는다.

  5. γ=s22r−s12r=s2−s12r=s2r\gamma = \frac{s_2}{2r} - \frac{s_1}{2r} = \frac{\resaltar{s_2 - s_1}}{2r} = \frac{\resaltar{s}}{2r}

    중심이 각의 외부에 있으면, 다시 DD를 CC에서 출발하는 지름의 다른 끝점이라 하자. 중심의 위치에 관한 받아들인 사실에 의해, AA가 DD에서 BB로 CC를 지나지 않고 가는 호 위에 있고, CC에서 AA로 향하는 반직선이 두 변이 CDCD와 CBCB인 각을 두 변이 CDCD와 CACA인 각과 γ\gamma로 나눈다고 가정해도 된다. 그 호는 길이가 s2s_2이며, DD에서 AA로 가는 호(길이는 s1s_1)와 γ\gamma가 대하는 호로 이루어진다. 그리고 γ\gamma는 각각 한 변이 중심을 지나는 두 각의 차이다.

따름정리같은 현 위의 원주각

양 끝이 같은 AA와 BB인 두 원주각은, 그 꼭짓점이 현 ABAB가 정하는 두 호 중 같은 호 위에 있으면 같고, 서로 다른 호 위에 있으면 서로 보각이다. 특히 반원에 내접하는 원주각, 즉 양 끝 AA와 BB가 지름의 두 끝점인 원주각은 모두 직각이다.

각 경우에 각 각이 어느 호에 대하는지 읽고 정리를 적용하면 된다. CC와 C′C'을 꼭짓점, γ\gamma와 γ′\gamma'을 각이라 하고, ss를 양 끝이 AA와 BB이고 CC를 포함하지 않는 호의 길이라 하자.

증명

  1. γ=s2r=γ′\dato{g}{\gamma = \frac{s}{2r}} = \gamma'

    C′C'이 CC와 같은 호 위에 있으면, 두 각은 모두 다른 호(길이는 ss)에 대하므로 정리에 의해 크기가 같다.

  2. γ+γ′=s2r+2πr−s2r=π\gamma + \gamma' = \frac{s}{2r} + \frac{\resaltar{2\pi r - s}}{2r} = \resaltar{\pi}

    C′C'이 다른 호 위에 있으면, 그 각은 CC를 포함하는 호에 대하며, 그 길이는 ss에 더해 원 전체를 채우는 데 모자라는 만큼이다. 두 크기의 합은 평각이다.

  3. s=πr→γ=πr2r=π2s = \pi r \rightarrow \gamma = \frac{\resaltar{\pi r}}{2r} = \resaltar{\frac{\pi}{2}}

    ABAB가 지름이면 두 호는 모두 길이가 πr\pi r인 반원이고, 각은 직각이다. 이 특별한 경우는 탈레스 정리로 알려져 있다.

원 위에 있지 않은 점은 현을 다른 각으로 본다. 아래의 결과도 초등기하학에서 받아들인다. 이는 위의 정리와 유클리드의 『원론』 제I권 명제 21로부터 얻어지는데, 이 명제에 따르면 삼각형 내부의 점은 한 변을 마주 보는 꼭짓점보다 더 큰 각으로 본다. 그러나 그 증명에는 그 점에서 출발하는 선분들이 원과 어디서 만나는지 알아야 하며, 이는 이 강좌가 다루지 않는 위치의 문제이다. 이 결과는 역삼각함수에 관한 수업의 마지막 예제에서 사용한다.

증명 없이 받아들이는 사실 (내부의 점과 외부의 점에서 본 각). AA와 BB를 원 위의 두 점이라 하고, γ\gamma를 양 끝이 AA와 BB이고 꼭짓점이 이들이 정하는 두 호 중 하나 위에 있는 원주각들의 공통 크기라 하자. QQ가 원 위에 있지 않은 점으로서 직선 ABAB에 대하여 그 호와 같은 쪽에 있으면, QQ에서 선분 QAQA와 QBQB가 이루는 각은 γ\gamma보다 작고(QQ가 원의 외부에 있을 때), γ\gamma보다 크다(내부에 있을 때).

표준 위치와 동경이 같은 각

강좌 I의 직선의 방정식과 직교좌표계에 관한 수업에서 공부한 좌표평면에서는 각 각에 특별한 위치가 있다.

유향각은 꼭짓점이 원점이고 시초선이 xx축의 양의 부분일 때 표준 위치에 있다고 한다. 이때 그 동경은 원점에서 출발하여 이동의 공리의 점 P(θ)P(\theta)를 지나는 반직선이다. 이 점은 단위원 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 위의 점으로서, (1,0)(1, 0)에서 길이 ∣θ∣\abs{\theta}의 호를 θ\theta의 부호가 나타내는 방향으로 따라가서 이르는 점이다. 두 각이 표준 위치에서 같은 동경을 가지면 동경이 같은 각이라 한다.

좌표축은 평면을 네 개의 사분면으로 나누며, 이들은 좌표가 양인 점들을 포함하는 사분면부터 시계 반대 방향으로 번호가 매겨진다. 표준 위치에 있는 각은 그 동경을 포함하는 사분면의 각이다라고 한다. 동경이 축 위에 놓이면 그 각을 좌표축 위의 각이라 한다. 점 P(θ)P(\theta)의 좌표는 θ\theta의 코사인과 사인이며, 이것들은 이어지는 삼각비에 관한 수업에서 공부한다.

어느 방향이든 한 바퀴는 이동의 주기성에 의해 변을 원래 위치로 되돌린다. 각 θ+2π\theta + 2\pi는 θ\theta와 동경이 같고, θ−2π\theta - 2\pi, θ+4π\theta + 4\pi, 그리고 일반적으로 θ+2kπ\theta + 2k\pi(단, kk는 정수)도 마찬가지이다. 따라서 임의의 각이 어디서 끝나는지 알려면 한 바퀴들을 덜어 내면 된다. 강좌 I의 나누어떨어짐과 나머지가 있는 나눗셈에 관한 수업에서 제수의 배수를 덜어 낸 것과 같다. 아래의 정리는 그 나눗셈의 실수판이다. 제수는 2π2\pi, 몫은 바퀴 수, 나머지는 남는 각이다.

정리첫 바퀴로의 환원

모든 실수 θ\theta에 대하여 유일한 정수 kk와 유일한 실수 θ0\theta_0이 존재하여 θ=θ0+2kπ\theta = \theta_0 + 2k\pi이고 0≤θ0<2π0 \leq \theta_0 < 2\pi이다.

존재성은 강좌 I의 유리수의 십진 표현에 관한 수업에서 증명한 아르키메데스 성질에 바탕을 두며, 유일성은 −1-1과 11 사이에 엄격하게 놓인 정수는 영이라는 사실에 바탕을 둔다.

증명

  1. k≤θ2π<k+1\dato{k}{k \leq \frac{\theta}{2\pi} < k + 1}

    θ\theta를 실수라 하자. 아르키메데스 성질과 정렬성 원리에 의해, 실수 직선에 관한 수업에서 유리수의 조밀성을 증명할 때와 마찬가지로, 최소의 정수 mm(θ2π\frac{\theta}{2\pi}보다 큰 것)이 존재한다. k=m−1k = m - 1이라 하면, 이는 더 이상 그 수보다 크지 않다.

  2. 2kπ≤θ<2kπ+2π→0≤θ−2kπ<2π\resaltar{2k\pi \leq \theta < 2k\pi + 2\pi} \rightarrow \resaltar{0 \leq \theta - 2k\pi < 2\pi}

    양수인 2π2\pi를 곱하고, 세 변에서 2kπ2k\pi를 뺀다.

  3. θ=θ0+2kπ,θ0∈[0,2π)\dato{e}{\theta = \theta_0 + 2k\pi, \quad \theta_0 \in \ico{0}{2\pi}}

    θ0=θ−2kπ\theta_0 = \theta - 2k\pi라 하자. 그러면 θ\theta는 kk번의 완전한 회전과 그 뒤를 잇는 각 θ0\theta_0으로 이루어지며, 이 각은 첫 바퀴에 있다. θ\theta와 θ0\theta_0은 동경이 같다.

  4. 2π(k−j)=θ1−θ0,−2π<θ1−θ0<2π\dato{d}{2\pi(k - j) = \theta_1 - \theta_0}, \quad -2\pi < \theta_1 - \theta_0 < 2\pi

    유일성을 위해, θ=θ1+2jπ\theta = \theta_1 + 2j\pi(단, jj는 정수이고 0≤θ1<2π0 \leq \theta_1 < 2\pi)이라고도 가정하자. 두 표현을 빼면 차 θ1−θ0\theta_1 - \theta_0은 2π2\pi의 정수배이다. 그리고 두 수가 모두 구간 [0,2π)\ico{0}{2\pi}에 있으므로 그 차는 −2π-2\pi와 2π2\pi 사이에 있다.

  5. ∣k−j∣<1→k=j→θ1=θ0\abs{k - j} < 1 \rightarrow k = j \rightarrow \theta_1 = \theta_0

    2π2\pi로 나누면 정수 k−jk - j는 −1-1과 11 사이에 엄격하게 놓이므로 영이다. 따라서 j=kj = k이고, 위의 등식에 의해 θ1=θ0\theta_1 = \theta_0이다.

  6. θ0=−23π6+4π=π6\theta_0 = \resaltar{-\frac{23\pi}{6} + 4\pi} = \resaltar{\frac{\pi}{6}}

    예를 들어 θ=−23π6\theta = -\frac{23\pi}{6}에 대해서는 θ2π=−2312\frac{\theta}{2\pi} = -\frac{23}{12}이고, 이는 −2-2와 −1-1 사이에 있다. 따라서 k=−2k = -2이며, 각은 시계 방향으로 거의 두 바퀴를 돌아 π6\frac{\pi}{6}의 변에서 끝난다.

수 θ0\theta_0을 θ\theta의 첫 바퀴로의 환원이라 한다. 도에서는 360360을 2π2\pi 대신 쓴 같은 추론으로, 임의의 각을 0∘0^\circ와 360∘360^\circ 사이(후자는 제외)의 각으로 환원한다. 예를 들어 1000∘=280∘+2⋅360∘1000^\circ = 280^\circ + 2 \cdot 360^\circ이다. 환원을 이용하면 같은 변에서 끝나는 모든 각을 알아볼 수 있다. 그 전에 한 바퀴가 같은 점을 두 번 지나지 않는다는 것을 알아야 하며, 이는 이동의 공리로부터 유도된다.

보조정리한 바퀴는 점을 반복하지 않는다

0≤α<β<2π0 \leq \alpha < \beta < 2\pi이면 P(α)≠P(β)P(\alpha) \neq P(\beta)이다.

α\alpha와 β\beta가 어느 반 바퀴에 있는지에 따라 경우를 나눈다. 각 반 바퀴에서는 가로 좌표가 순단조이고, 한쪽에서 다른 쪽으로 넘어가면 세로 좌표의 부호가 바뀐다. (xs,ys)(x_s, y_s)를 P(s)P(s)의 좌표로 쓴다.

증명

  1. 0<s<π∨π<s<2π→−1<xs<10 < s < \pi \vee \pi < s < 2\pi \rightarrow \dato{x}{-1 < x_s < 1}

    반 바퀴의 성질에 의해 ss가 00에서 π\pi까지 증가할 때 P(s)P(s)의 가로 좌표는 11에서 −1-1까지 순감소한다. 두 번째 반 바퀴에 관한 명제에 의해 ss가 π\pi에서 2π2\pi까지 증가할 때 그 가로 좌표는 −1-1에서 P(2π)P(2\pi)의 가로 좌표까지 순증가하며, 이는 주기성에 의해 P(0)=(1,0)P(0) = (1, 0)이다.

  2. ys2=1−xs2>0→π<s<2π→ys<0y_s^2 = \resaltar{1 - x_s^2} > 0 \rightarrow \dato{y}{\pi < s < 2\pi \rightarrow y_s < 0}

    이 경우들에서 세로 좌표는 영이 아니다. 그 제곱이 1−xs2>01 - x_s^2 > 0이기 때문이다. 첫 번째 반 바퀴에서는 음이 아니므로 양이고, 두 번째 반 바퀴에서는 양이 아니므로 음이다.

  3. xα≠xβ→P(α)≠P(β)x_\alpha \neq x_\beta \rightarrow P(\alpha) \neq P(\beta)

    α\alpha와 β\beta가 모두 [0,π]\icc{0}{\pi}에 있거나 모두 [π,2π)\ico{\pi}{2\pi}에 있으면, 각 반 바퀴에서의 순단조성에 의해 두 점의 가로 좌표는 다르다.

  4. yβ<0≤yα→P(α)≠P(β)\resaltar{y_\beta < 0 \leq y_\alpha} \rightarrow P(\alpha) \neq P(\beta)

    α<π<β\alpha < \pi < \beta이면 점 P(β)P(\beta)의 세로 좌표는 음이지만, 첫 번째 반 바퀴에 있는 P(α)P(\alpha)의 세로 좌표는 음이 아니다. 모든 경우에 두 점은 서로 다르다.

보조정리동경이 같은 각

두 각 θ\theta와 φ\varphi의 동경이 같을 필요충분조건은 그 차가 2π2\pi의 정수배인 것, 즉 정수 kk가 존재하여 θ−φ=2kπ\theta - \varphi = 2k\pi인 것이다. 특히 동경이 같을 필요충분조건은 첫 바퀴로의 환원이 같은 것이다.

각 각을 그 환원으로 바꾸고, 앞의 보조정리로 환원끼리 비교한다.

증명

  1. P(θ)=P(θ0),P(φ)=P(φ0)\dato{p}{P(\theta) = P(\resaltar{\theta_0}), \quad P(\varphi) = P(\resaltar{\varphi_0})}

    환원 정리에 의해 θ=θ0+2kπ\theta = \theta_0 + 2k\pi이고 φ=φ0+2jπ\varphi = \varphi_0 + 2j\pi이며, θ0\theta_0과 φ0\varphi_0은 [0,2π)\ico{0}{2\pi}에 있다. 이동의 주기성에 의해 한 바퀴들은 점을 바꾸지 않으므로, 각 각의 동경은 그 환원의 동경이다.

  2. P(θ)=P(φ)↔θ0=φ0\dato{c}{P(\theta) = P(\varphi) \leftrightarrow \theta_0 = \varphi_0}

    θ0≠φ0\theta_0 \neq \varphi_0이면 앞의 보조정리에 의해 점 P(θ0)P(\theta_0)과 P(φ0)P(\varphi_0)은 다르고, 동경도 다르다. 환원이 같으면 동경은 일치한다. 따라서 두 각의 동경이 같을 필요충분조건은 환원이 같은 것이다.

  3. θ0=φ0→θ−φ=2(k−j)π,θ−φ=2mπ→θ=φ0+2(j+m)π→θ0=φ0\theta_0 = \varphi_0 \rightarrow \theta - \varphi = \resaltar{2(k - j)\pi}, \qquad \theta - \varphi = 2m\pi \rightarrow \theta = \varphi_0 + \resaltar{2(j + m)\pi} \rightarrow \theta_0 = \varphi_0

    환원이 같으면 차는 2π2\pi의 정수배이다. 역으로 θ−φ=2mπ\theta - \varphi = 2m\pi이면 θ=φ0+2(j+m)π\theta = \varphi_0 + 2(j + m)\pi이고, 환원의 유일성에 의해 θ0=φ0\theta_0 = \varphi_0이다.

이로부터 θ\theta와 동경이 같은 각은 정확히 θ+2kπ\theta + 2k\pi(단, kk는 정수) 꼴의 각이며, 각의 사분면은 그 환원이 결정한다는 것이 따른다. 0<θ0<π20 < \theta_0 < \frac{\pi}{2}이면 제1사분면의 각, π2<θ0<π\frac{\pi}{2} < \theta_0 < \pi이면 제2사분면의 각, π<θ0<3π2\pi < \theta_0 < \frac{3\pi}{2}이면 제3사분면의 각, 3π2<θ0<2π\frac{3\pi}{2} < \theta_0 < 2\pi이면 제4사분면의 각이다. θ0\theta_0이 00, π2\frac{\pi}{2}, π\pi, 3π2\frac{3\pi}{2} 중 하나이면 좌표축 위의 각이다. 그러므로 −23π6-\frac{23\pi}{6}은 제1사분면의 각이고, 1000∘1000^\circ(그 환원은 280∘280^\circ)는 제4사분면의 각이다.

끝으로, 단위원의 모든 점은 어떤 각의 점 P(θ)P(\theta)이다. 이는 이동의 공리의 덮음 성질로서, (1,0)(1, 0)에서 원을 따라 이동하면 그 모든 점을 지난다는 것을 말한다. 그렇다면 첫 바퀴로의 환원, 주기성, 동경이 같은 각에 관한 보조정리에 의해, 단위원의 각 점은 P(θ)P(\theta)이며, 여기서 θ\theta는 [0,2π)\ico{0}{2\pi} 안의 유일한 값이다. 그 점에 대응하는 각은 정확히 그 θ\theta와 동경이 같은 각들이다.

각속도와 선속도

물체가 한 축을 중심으로 회전할 때, 그 모든 점은 축 위에 중심을 둔 원의 호를 그리며, 모든 점이 같은 시간 동안 같은 각만큼 돈다. 시간 tt 동안 물체가 일정한 빠르기로 각 θ\theta만큼 회전하면, 그 각속도는 비 ω=θt\omega = \frac{\theta}{t}이며, 초당 라디안으로 잰다. 분당 회전수로도 나타내며, 1회전은 2π2\pi라디안이고 1분은 6060초이므로, 분당 1회전은 초당 π30\frac{\pi}{30}라디안과 같다.

축에서 거리 rr에 있는 점은 그 시간 동안 호의 길이의 정리에 의해 길이가 s=rθs = r\theta인 호를 지난다. 따라서 그 선속도, 즉 이동한 거리와 시간의 비는 반지름과 각속도의 곱이다.

v=st=rθt=rωv = \frac{s}{t} = \frac{r\theta}{t} = r\omega

이로부터 회전하는 물체에서 각속도는 모든 점에서 같지만, 선속도는 축까지의 거리에 비례하여 커진다는 것이 따른다. 회전하는 원판의 가장자리는 중심에 가까운 점들보다 빨리 움직인다. 이 관계는 각을 라디안으로 잴 때에만 성립하며, 역학의 기초 강좌에서 원운동을 공부하는 출발점이 된다. 미끄러지지 않는 벨트나 체인으로 연결된 두 바퀴, 또는 서로 맞물리는 두 바퀴는 접점에서 같은 선속도를 가진다. 따라서 ω1r1=ω2r2\omega_1 r_1 = \omega_2 r_2이고, 작은 바퀴가 더 빨리 돈다. 이는 예제 3에서 보게 된다.

예제

예제에서는 한 각으로부터 지구를 재고, 활꼴의 넓이를 계산하며, 체인으로 회전을 전달하고, 둘레가 주어졌을 때 넓이가 최대인 부채꼴을 찾으며, 시계 바늘이 겹치는 횟수를 센다. 각 문제에는 고유한 착상이 필요하며, 풀이를 읽기 전에 그것을 찾아보는 것이 좋다.

예제 1에라토스테네스에 의한 지구의 측정

기원전 240년경 에라토스테네스는 하지 정오에 태양이 시에네의 우물 바닥을 비추는 반면, 그 북쪽에 있으며 그의 가정으로는 같은 자오선 위에 있는 알렉산드리아에서는 햇빛이 연직선과 7도 12분의 각을 이룬다는 것을 관찰하였다. 두 도시 사이의 거리를 800 km로 잡고, 지구의 반지름과 자오선의 길이, 1분에 대응하는 자오선 호의 길이, 그리고 자오선을 따라 적도에서 위도 33∘33^\circ인 점까지의 거리를 계산하여라.

풀이

  1. α=7∘+(1260)∘=(365)∘\alpha = 7^\circ + \resaltar{\left( \frac{12}{60} \right)^\circ} = \resaltar{\left( \frac{36}{5} \right)^\circ}

    이 각을 도로 나타내면 77에 육십분의 십이를 더한 것이다. 이는 한 바퀴의 오십분의 일이다. 365⋅50=360\frac{36}{5} \cdot 50 = 360이기 때문이다.

  2. θ=365π180=π25\theta = \frac{\resaltar{\frac{36}{5}} \pi}{180} = \dato{t}{\resaltar{\frac{\pi}{25}}}

    햇빛은 평행하게 도달하고 시에네에서는 지구 반지름의 방향으로 떨어지므로, 알렉산드리아에서 햇빛과 연직선이 이루는 각은 지구 중심에서 두 도시의 반지름이 이루는 각과 같다. 이들은 평행선의 엇각이다. 라디안으로는 환산 규칙에 의해 아래와 같다.

  3. R=sθ=800π25=20000πR = \frac{s}{\theta} = \frac{\resaltar{800}}{\resaltar{\frac{\pi}{25}}} = \dato{r}{\resaltar{\frac{20000}{\pi}}}

    800 km는 이 중심각이 대하는 자오선의 호이다. s=Rθs = R\theta에서 반지름을 구하면 약 6366 km이다.

  4. 2πR=2π⋅20000π=400002\pi R = 2\pi \cdot \resaltar{\frac{20000}{\pi}} = \resaltar{40000}

    자오선의 길이는 반지름이 RR인 원의 둘레의 길이이다. 이는 또한 두 도시 사이의 거리의 5050배이다.

  5. s=20000π⋅π10800=5027s = \frac{20000}{\pi} \cdot \resaltar{\frac{\pi}{10800}} = \resaltar{\frac{50}{27}}

    1분은 1도의 육십분의 일, 즉 π10800\frac{\pi}{10800}라디안이다. 그 호의 길이는 약 1.852 km이며, 이것이 해리이다. 해리는 바로 이렇게 정의되었다.

  6. s=20000π⋅11π60=110003s = \frac{20000}{\pi} \cdot \resaltar{\frac{11\pi}{60}} = \resaltar{\frac{11000}{3}}

    한 점의 위도는 그 점의 반지름이 적도면과 이루는 각이다. 33∘33^\circ는 11π60\frac{11\pi}{60}라디안이다. 구하는 거리는 약 3667 km이다.

에라토스테네스는 거리를 스타디온으로 나타냈는데, 그 정확한 값에 대해서는 논란이 있다. 여기서 채택한 수치로는 자오선의 길이가 40000 km가 되는데, 이는 우연이 아니다. 18세기 말에 미터는 자오선의 사분의 일의 천만분의 일로 정의되었다. 한편 알렉산드리아는 시에네의 정확히 북쪽에 있지 않고 약 삼 도 서쪽에 있으므로, 두 도시를 잇는 호는 완전한 자오선의 호가 아니다.

예제 2육십 도의 활꼴

양 끝이 AA와 BB인 현이 중심이 OO이고 반지름이 rr인 원에서 중심각 π3\frac{\pi}{3}에 대한다. 현과, 양 끝이 AA와 BB인 짧은 호로 둘러싸인 활꼴의 넓이와, 그것이 원판에서 차지하는 비율을 계산하여라.

풀이

  1. As=12r2⋅π3=πr26A_s = \frac{1}{2} r^2 \cdot \resaltar{\frac{\pi}{3}} = \dato{s}{\resaltar{\frac{\pi r^2}{6}}}

    활꼴은 꼭짓점이 OO이고 양 끝이 AA와 BB인 부채꼴에서 꼭짓점이 OO, AA, BB인 삼각형을 뺀 나머지이다. 부채꼴의 넓이는 부채꼴의 정리로 주어진다.

  2. π−π32=π3\frac{\resaltar{\pi - \frac{\pi}{3}}}{2} = \resaltar{\frac{\pi}{3}}

    이 삼각형은 두 변이 반지름과 같으므로 이등변삼각형이고, AA에서의 각과 BB에서의 각은 같다. 이 수업에서 받아들인 사실에 의해 삼각형의 세 각의 합은 π\pi이므로, 각 각은 π3\frac{\pi}{3}이고, 삼각형은 한 변이 rr인 정삼각형이다.

  3. h=32r,At=12r⋅32r=34r2h = \frac{\sqrt{3}}{2} r, \quad A_t = \frac{1}{2} r \cdot \resaltar{\frac{\sqrt{3}}{2} r} = \dato{t}{\resaltar{\frac{\sqrt{3}}{4} r^2}}

    OO에서 내린 높이는 밑변을 그 중점에서 자른다. 피타고라스 정리에 의해 그 제곱은 r2−r24r^2 - \frac{r^2}{4}이다. 삼각형의 넓이는 밑변의 절반과 높이의 곱이다.

  4. A=πr26−34r2=2π−3312r2A = \resaltar{\frac{\pi r^2}{6} - \frac{\sqrt{3}}{4} r^2} = \dato{a}{\resaltar{\frac{2\pi - 3\sqrt{3}}{12} r^2}}

    활꼴의 넓이는 차이며, 공통분모는 1212이다. 이는 양수이다. 2π>6>332\pi > 6 > 3\sqrt{3}이기 때문이다.

  5. Aπr2=2π−3312π\frac{A}{\pi r^2} = \frac{2\pi - 3\sqrt{3}}{12\pi}

    원판의 넓이로 나누면 활꼴은 원판의 약 2.9퍼센트를 차지한다. 부채꼴은 육분의 일을 차지하고, 삼각형은 부채꼴의 약 83퍼센트를 채운다.

예제 3자전거의 체인

자전거에서 체인은 페달이 돌리는 반지름 1010 cm의 앞 기어를, 뒷바퀴의 축에 고정된 반지름 44 cm의 뒤 기어와 연결하며, 뒷바퀴의 반지름은 3535 cm이다. 타는 사람이 페달을 초당 한 바퀴 돌릴 때, 바퀴의 각속도와 자전거의 속력을 계산하여라. 단, 체인은 미끄러지지 않고 바퀴는 미끄러지지 않고 구른다고 가정한다.

풀이

  1. ω1=2π\omega_1 = \dato{w}{2\pi}

    초당 한 바퀴는 초당 2π2\pi라디안이다. 이것이 앞 기어의 각속도이다.

  2. v=r1ω1=10⋅2π=20πv = r_1 \omega_1 = 10 \cdot \resaltar{2\pi} = \dato{v}{\resaltar{20\pi}}

    체인의 모든 점은 같은 빠르기로 움직이며, 이는 앞 기어 가장자리의 선속도로, 단위는 초당 센티미터이다.

  3. ω2=vr2=20π4=5π\omega_2 = \frac{v}{r_2} = \frac{\resaltar{20\pi}}{\resaltar{4}} = \dato{p}{\resaltar{5\pi}}

    체인은 뒤 기어의 가장자리를 같은 선속도로 끈다. ω1r1=ω2r2\omega_1 r_1 = \omega_2 r_2에서 뒤 기어의 각속도를 얻는다. 초당 두 바퀴 반이다.

  4. vr=35⋅5π=175πv_r = 35 \cdot \resaltar{5\pi} = \dato{b}{\resaltar{175\pi}}

    바퀴는 뒤 기어의 축에 고정되어 같은 각속도로 돌지만, 그 가장자리는 축에서 훨씬 멀리 있어 선속도가 훨씬 크다. 단위는 초당 센티미터이다.

  5. 175π⋅3600100000=63π10175\pi \cdot \resaltar{\frac{3600}{100000}} = \resaltar{\frac{63\pi}{10}}

    바퀴가 미끄러지지 않으면 자전거는 한 바퀴마다 바퀴의 둘레의 길이만큼 나아가며, 그 둘레는 차례로 땅에 닿는다. 자전거의 속력은 바퀴 가장자리의 속력이다. 초당 1센티미터는 시속 3600100000\frac{3600}{100000}킬로미터이므로, 자전거는 시속 약 19.8킬로미터로 나아간다.

예제 4둘레가 일정하고 넓이가 최대인 부채꼴

길이가 PP인 철사로 부채꼴의 윤곽, 즉 두 반지름과 그것들을 잇는 호를 만든다. 넓이가 최대인 부채꼴의 반지름과 중심각, 그리고 그 넓이의 값을 구하여라.

풀이

  1. P=2r+s→s=P−2rP = 2r + s \rightarrow \dato{s}{s = P - 2r}

    반지름을 rr, 중심각을 θ\theta라 하면, 윤곽은 두 반지름과 길이가 s=rθs = r\theta인 호로 이루어진다.

  2. A=12rs=12r(P−2r)=Pr2−r2A = \frac{1}{2} r \resaltar{s} = \frac{1}{2} r \resaltar{(P - 2r)} = \dato{a}{\frac{Pr}{2} - r^2}

    부채꼴의 정리에 의해 넓이는 반지름의 절반과 호의 곱이다. 이는 반지름의 이차함수이다.

  3. P2+2π≤r<P2\dato{d}{\frac{P}{2 + 2\pi} \leq r < \frac{P}{2}}

    호는 양수이고 원 전체보다 크지 않아야 한다. 즉 0<θ≤2π0 < \theta \leq 2\pi이다. P−2r>0P - 2r > 0와 P−2r≤2πrP - 2r \leq 2\pi r으로부터 가능한 반지름의 구간이 얻어진다.

  4. A=P216−(r−P4)2≤P216A = \resaltar{\frac{P^2}{16} - \left( r - \frac{P}{4} \right)^2} \leq \resaltar{\frac{P^2}{16}}

    완전제곱식을 만들면 넓이는 일정한 수에서 제곱을 뺀 것이 된다. 그 그래프는 rr의 함수로서 포물선 (r−P4)2=−(A−P216)\left( r - \frac{P}{4} \right)^2 = -\left( A - \frac{P^2}{16} \right)이며, 아래로 열려 있다. 강좌 I의 포물선의 특성화에 관한 수업의 꼭짓점 정리에 의해, 그 가장 높은 점은 꼭짓점이다.

  5. r=P4,A=P216r = \frac{P}{4}, \quad A = \frac{P^2}{16}

    꼭짓점의 가로 좌표 P4\frac{P}{4}는 가능한 반지름의 구간에 속한다. 2+2π>42 + 2\pi > 4이기 때문이다. 따라서 최대 넓이는 정확히 이 반지름에서 얻어진다.

  6. θ=sr=P−P2P4=2\theta = \frac{s}{r} = \frac{\resaltar{P - \frac{P}{2}}}{\frac{P}{4}} = \resaltar{2}

    대응하는 호의 길이는 P2\frac{P}{2}이고, 중심각은 호와 반지름의 비이다. 즉 22라디안, 약 114.6도이며, PP에 관계없다. 흥미롭게도 최대 넓이는 둘레가 PP인 정사각형의 넓이와 같다.

예제 5시계 바늘

3:40에 시계 바늘이 이루는 각을 계산하여라. 이어서 12:00부터 그 뒤에 오는 12:00까지(뒤의 것은 제외) 바늘이 정확히 열한 번 겹치며, 그 간격은 1211\frac{12}{11}시간으로 일정함을 증명하여라.

풀이

  1. αm=360t,αh=30t\dato{p}{\alpha_m = 360t, \quad \alpha_h = 30t}

    각 바늘의 위치를 12:00부터 돈 각으로 잰다. 단위는 도, 방향은 시계 방향으로 한다. tt시간 후에 분침은 tt바퀴를 돌았고, 12시간에 한 바퀴를 도는 시침은 한 시간에 30∘30^\circ를 돈다.

  2. αm=360⋅113=1320∘=240∘+3⋅360∘\alpha_m = 360 \cdot \frac{11}{3} = \resaltar{1320^\circ} = \resaltar{240^\circ + 3 \cdot 360^\circ}

    3:40에는 3+4060=1133 + \frac{40}{60} = \frac{11}{3}시간이 지났다. 분침은 세 바퀴를 완전히 돌았는데, 이는 위치를 바꾸지 않으므로 분침은 그 각의 환원의 위치에 있다.

  3. αh=30⋅113=110∘\alpha_h = 30 \cdot \resaltar{\frac{11}{3}} = \resaltar{110^\circ}

    시침은 아직 한 바퀴도 돌지 않았다.

  4. 240∘−110∘=130∘=13π18240^\circ - 110^\circ = \resaltar{130^\circ} = \resaltar{\frac{13\pi}{18}}

    환원된 위치의 차는 180∘180^\circ보다 작으므로, 이것이 바늘이 이루는 각이며, 도와 라디안으로 나타내면 아래와 같다.

  5. 360t−30t=330t=360k↔t=12k11,k∈Z360t - 30t = 330t = 360k \leftrightarrow \dato{t}{t = \frac{12k}{11}}, \quad k \in \mathbb{Z}

    바늘이 겹치는 것은 그 각들의 동경이 같을 때, 즉 동경이 같은 각에 관한 보조정리에 의해 그 차가 한 바퀴의 정수배일 때이다.

  6. 0≤12k11<12↔0≤k<110 \leq \frac{12k}{11} < 12 \leftrightarrow 0 \leq k < 11

    조건 0≤t<120 \leq t < 12은 0≤k<110 \leq k < 11와 동치이다. 겹침은 정확히 열한 번 있으며, 이는 k=0,1,…,10k = 0, 1, \ldots, 10일 때이고, 연속한 두 겹침의 간격은 1211\frac{12}{11}시간, 약 한 시간 5분 27초이다. 그때의 시침의 위치 360k11\frac{360k}{11}도는 정십일각형의 꼭짓점이다.

연습 문제

연습 문제는 이 수업의 착상을 따른다. 부채꼴을 원뿔로 바꾸기, 원의 둘레를 더하여 나선의 길이를 어림하기, 띠를 직선 부분과 중심각이 더해지는 호로 분해하기, 그리고 위치와 시각을 세기 위해 동경이 같은 각을 이용하여 각을 첫 바퀴로 환원하기이다. 각 문제에는 힌트가 있으며, 먼저 풀어 본 뒤에만 여는 것이 좋다. 증명 문제에는 또한 풀이 과정이 있다.

연습 문제 1종이 원뿔

종이에서 반지름 1212 cm, 중심각 120∘120^\circ인 부채꼴을 오려 내고, 그 두 반지름을 붙여 원뿔의 옆면을 만든다. 원뿔의 밑면의 반지름과 높이를 계산하여라.

힌트

부채꼴의 호는 밑면의 원둘레가 되고, 부채꼴의 반지름은 원뿔의 꼭짓점에서 그 원둘레 위의 임의의 점까지의 거리가 된다. 그런 뒤 피타고라스 정리로 높이를 얻는다.

정답

밑면의 반지름은 44 cm이고 높이는 828\sqrt{2} cm이다.

연습 문제 2콤팩트디스크의 트랙

콤팩트디스크에서 정보는 나선 모양의 트랙 하나를 따라 기록되어 있으며, 이 트랙은 중심에서 2.3 cm 떨어진 곳에서 시작하여 5.8 cm 떨어진 곳에서 끝난다. 나선의 이웃한 두 바퀴 사이의 간격은 1.6마이크로미터이다. 판독 장치는 초속 1.2미터의 일정한 선속도로 트랙을 따라간다. 나선의 각 바퀴를 디스크의 축을 중심으로 하는 원으로 근사하여 트랙의 길이와 전체를 읽는 데 걸리는 시간을 어림하여라.

힌트

rr과 RR을 처음과 마지막 반지름, pp를 바퀴 사이의 간격이라 하면, 바퀴 수는 N=R−rpN = \frac{R - r}{p}이고, 반지름은 rr, r+pr + p, r+2pr + 2p와 같이 이어진다. 그 길이들은 등차수열을 이루며, 그 합은 강좌 I의 합, 수열, 귀납법에 관한 수업에서 계산하였다. 결과는 두 동심원 사이의 영역의 넓이를 간격으로 나눈 것에 매우 가깝다. 단위에 주의하여라.

정답

나선은 2187521875바퀴를 돌며, 그 길이는 대략 아래와 같아 약 5.57 km이다. 전체를 읽는 데는 약 4640초, 즉 약 77분이 걸린다.

L≈π(R2−r2)pL \approx \frac{\pi \left( R^2 - r^2 \right)}{p}
연습 문제 3세 개의 관을 묶는 띠

반지름이 rr인 같은 원기둥 모양의 관 세 개를 각각 나머지 두 개에 닿도록 평행하게 놓고, 이들을 둘러싸는 팽팽한 띠로 묶는다. 띠의 길이가 6r+2πr6r + 2\pi r임을 증명하고, 반지름이 5 cm인 관의 경우 띠의 길이를 계산하여라.

힌트

관에 수직인 단면에서 띠의 각 직선 부분은 그 접점에 그은 반지름들, 그리고 중심들을 잇는 삼각형의 한 변과 함께 직사각형을 이룬다. 호에 대해서는 띠가 각 관에서 감싸는 중심각을 계산하고, 삼각형의 각의 합을 이용하여라.

정답

띠는 길이가 2r2r인 세 직선 부분과, 합쳐서 하나의 완전한 원둘레를 이루는 세 호로 이루어진다. r=5r = 5일 때 띠의 길이는 30+10π30 + 10\pi cm, 약 61.4 cm이다.

풀이 과정

풀이

  1. d⁡(A,B)=d⁡(B,C)=d⁡(C,A)=2r\operatorname{d}(A, B) = \operatorname{d}(B, C) = \operatorname{d}(C, A) = \dato{l}{2r}

    관에 수직인 평면으로 다발을 자른다. 반지름이 rr인 세 원이 보이며, 그 중심은 AA, BB, CC이다. 외접하는 두 원의 중심 사이의 거리는 반지름의 합과 같으므로, 중심들을 잇는 삼각형은 한 변이 2r2r인 정삼각형이다.

  2. d⁡(T,T′)=d⁡(A,B)=2r→3⋅2r=6r\operatorname{d}(T, T') = \resaltar{\operatorname{d}(A, B)} = \resaltar{2r} \rightarrow \dato{t}{3 \cdot 2r = 6r}

    띠의 각 직선 부분은 두 관, 예를 들어 중심이 AA와 BB인 관에 두 점 TT와 T′T'에서 접한다. 접점에 그은 반지름은 접선에 수직이다. 이는 강좌 I의 원에 관한 수업에 따른다. 반지름 ATAT와 BT′BT'은 같은 직선에 수직이고 길이가 같으며 그 직선의 같은 쪽에 있으므로, 꼭짓점이 AA, BB, T′T', TT인 사각형은 직사각형이다. 각 직선 부분의 길이는 삼각형의 한 변과 같다.

  3. π2+α+π2+φA=2π→φA=π−α\frac{\pi}{2} + \alpha + \frac{\pi}{2} + \varphi_A = 2\pi \rightarrow \dato{f}{\varphi_A = \pi - \alpha}

    중심이 AA인 관에서 띠는 그 관에 이르는 두 직선 부분의 접점 사이의 호를 감싼다. 그 점들에 그은 반지름은 변 ABAB, ACAC와 직각을 이룬다. 삼각형의 각 α\alpha(AA에서의 각)와 호의 중심각 φA\varphi_A를 합치면, 이웃한 각의 합에 의해 AA 둘레의 한 바퀴가 된다.

  4. r(π−α)+r(π−β)+r(π−γ)=r(3π−(α+β+γ))=r(3π−π)=2πrr(\pi - \alpha) + r(\pi - \beta) + r(\pi - \gamma) = r\left( 3\pi - \resaltar{(\alpha + \beta + \gamma)} \right) = r\left( 3\pi - \resaltar{\pi} \right) = \dato{a}{2\pi r}

    나머지 두 관에서도 삼각형의 각 β\beta와 γ\gamma에 대해 같은 일이 일어난다. 호의 길이의 정리에 의해 세 호의 합은 아래와 같고, 삼각형의 각의 합은 π\pi이므로, 이들은 합쳐서 하나의 완전한 원둘레를 이룬다. 여기서는 각각이 그 삼분의 일이다. α=β=γ=π3\alpha = \beta = \gamma = \frac{\pi}{3}이기 때문이다.

  5. L=6r+2πr,r=5→L=30+10πL = \resaltar{6r} + \resaltar{2\pi r}, \qquad r = 5 \rightarrow L = 30 + 10\pi

    띠의 길이는 직선 부분과 호의 합이다. 호의 계산에서는 삼각형이 정삼각형이라는 것을 사용하지 않았다. 같은 세 관을 둘러싼 팽팽한 띠의 곡선 부분의 합은 항상 하나의 완전한 원둘레이다. r=5r = 5일 때 띠의 길이는 약 61.4 cm이다.

연습 문제 4도약하며 나아가는 바퀴

톱니바퀴가 한 번 도약할 때마다 시계 반대 방향으로 각 150∘150^\circ만큼 돈다. 1212번 도약한 뒤에 처음으로 원래 위치로 돌아오며, 그동안 서로 다른 위치 1212개를 차지함을 증명하여라. 일반화하여라. 한 번의 도약이 한 바퀴의 pq\frac{p}{q}(단, pp와 qq는 서로소)일 때, 서로 다른 위치는 몇 개인가?

힌트

동경이 같은 각에 관한 보조정리에 의해, jj번째 도약과 kk번째 도약에서 바퀴가 같은 위치에 있을 필요충분조건은 150(k−j)150(k - j)가 360360의 배수인 것, 즉 1212가 5(k−j)5(k - j)를 나누는 것이다. 55와 1212가 서로소임을 이용하여라. 강좌 I의 최대공약수와 최소공배수에 관한 수업에서와 같다.

정답

두 도약이 같은 위치를 줄 필요충분조건은 그 번호의 차가 1212의 배수인 것이다. 일반적으로 바퀴는 서로 다른 위치 qq개를 차지하고, qq번째 도약에서 처음으로 원래 위치로 돌아온다.

풀이 과정

풀이

  1. 150(k−j)=360m↔5(k−j)=12m,m∈Z150(k - j) = 360m \leftrightarrow \dato{c}{5(k - j) = 12m}, \quad m \in \mathbb{Z}

    kk번 도약한 뒤 바퀴는 150k150k도 돌았다. 동경이 같은 각에 관한 보조정리에 의해 jj번째 도약과 kk번째 도약에서 바퀴가 같은 위치에 있을 필요충분조건은 각의 차가 한 바퀴의 정수배인 것이다. 3030으로 나누면 조건은 5(k−j)5(k - j)가 1212의 배수인 것이 된다.

  2. 60∣5(k−j)↔12∣k−j\resaltar{60 \mid 5(k - j)} \leftrightarrow \dato{d}{\resaltar{12 \mid k - j}}

    그러면 정수 5(k−j)5(k - j)는 1212와 55의 배수이며, 이들은 서로소이다. 강좌 I의 최대공약수에 관한 수업의 공배수에 관한 보조정리에 의해 그것은 6060의 배수이고, k−jk - j는 1212의 배수이다. 역으로 k−j=12tk - j = 12t이면 각의 차는 5t5t바퀴이다.

  3. 0≤j<k≤11→0<k−j<12,150⋅12=5⋅3600 \leq j < k \leq 11 \rightarrow 0 < k - j < 12, \qquad 150 \cdot \resaltar{12} = \resaltar{5 \cdot 360}

    00번째 도약부터 1111번째 도약까지 어떤 차도 1212의 배수가 아니다. 따라서 바퀴는 서로 다른 위치 1212개를 차지한다. 1212번째 도약에서 바퀴는 1800∘1800^\circ, 즉 다섯 바퀴를 완전히 돌아 처음으로 원래 위치로 돌아온다. 그 뒤로는 같은 위치를 같은 순서로 반복한다.

  4. q∣p(k−j)↔q∣k−jq \mid p(k - j) \leftrightarrow \resaltar{q \mid k - j}

    일반적으로 한 번의 도약이 한 바퀴의 pq\frac{p}{q}일 때, jj번째 도약과 kk번째 도약이 같은 위치를 줄 필요충분조건은 p(k−j)q\frac{p(k - j)}{q}가 정수인 것, 즉 qq가 p(k−j)p(k - j)를 나누는 것이다. pp와 qq가 서로소이면 같은 보조정리에 의해 pqpq는 p(k−j)p(k - j)를 나누고, qq는 k−jk - j를 나눈다. 바퀴는 정확히 위치 qq개를 차지하고, qq번째 도약에서 처음으로 원래 위치로 돌아온다. 분수 150360=512\frac{150}{360} = \frac{5}{12}는 앞의 경우를 준다.

연습 문제 5직각을 이루는 바늘

12:00부터 그 뒤에 오는 12:00까지(뒤의 것은 제외) 시계 바늘이 정확히 2222번 직각을 이룸을 증명하고, 그 시각들을 구하여라.

힌트

예제 5의 기호로, 바늘이 직각을 이루는 것은 차 330t330t가 90∘90^\circ 또는 270∘270^\circ와 동경이 같을 때, 즉 330t=90+180j330t = 90 + 180j(jj는 어떤 정수)일 때이다.

정답

그 시각들은 12:00 이후의 시간으로 나타내면 아래와 같으며, j=0,1,…,21j = 0, 1, \ldots, 21이다. 첫 번째는 12:16 무렵이고, 그 가운데 3:00과 9:00이 있다.

t=3(2j+1)11t = \frac{3(2j + 1)}{11}
풀이 과정

풀이

  1. αm−αh=360t−30t=330t\alpha_m - \alpha_h = 360t - 30t = \dato{d}{330t}

    예제 5에서처럼 tt시간 후에 분침은 12:00부터 시계 방향으로 360t360t도, 시침은 30t30t를 돌았다. 그 위치의 차는 330t330t도이다.

  2. 330t=90+360m∨330t=270+360m↔330t=90+180j,j∈Z330t = 90 + 360m \vee 330t = 270 + 360m \leftrightarrow \dato{e}{330t = 90 + 180j}, \quad j \in \mathbb{Z}

    바늘이 직각을 이룰 필요충분조건은 그 차가 90∘90^\circ 또는 270∘270^\circ와 동경이 같은 것, 즉 90+360m90 + 360m 또는 270+360m270 + 360m(mm은 어떤 정수)인 것이다. 두 계열을 합치면 수 90+180j90 + 180j가 된다. jj의 짝수 값은 앞의 계열을, 홀수 값은 뒤의 계열을 준다.

  3. t=90+180j330=3(2j+1)11t = \frac{\resaltar{90 + 180j}}{\resaltar{330}} = \dato{t}{\frac{3(2j + 1)}{11}}

    tt에 대하여 풀고 분수를 3030으로 약분하면 시각들을 얻는다.

  4. 0≤3(2j+1)11<12↔0≤j≤21,j=5→t=3,j=16→t=90 \leq \frac{3(2j + 1)}{11} < 12 \leftrightarrow \resaltar{0 \leq j \leq 21}, \qquad j = 5 \rightarrow t = 3, \quad j = 16 \rightarrow t = 9

    조건 0≤t<120 \leq t < 12은 0≤2j+1<440 \leq 2j + 1 < 44, 즉 0≤j≤210 \leq j \leq 21과 동치이다. 시각은 정확히 2222개 있으며, tt가 jj와 함께 증가하므로 서로 다르다. j=0j = 0이면 t=311t = \frac{3}{11}, 약 16분 22초이다. j=5j = 5와 j=16j = 16이면 3:00과 9:00이다. 대응하는 시침의 위치 90(2j+1)11\frac{90(2j + 1)}{11}도는 문자판에 규칙적으로 분포해 있다.

이 수업으로 각은 측정되고 평면 위에 놓였다. 이어지는 삼각비에 관한 수업에서는 단위원의 점 P(θ)P(\theta)의 좌표가 임의의 각의 코사인과 사인을 정의하고, 첫 바퀴로의 환원과 동경이 같은 각이 그 주기성을 설명할 것이다.