요약
이 수업은 삼각비로는 직각삼각형에 한정되었던 삼각형의 풀이를 모든 삼각형으로 넓힌다. 곧 변과 각 가운데 세 요소가 주어지면 나머지 요소를 정한다. 삼각형의 넓이가 두 변과 그 끼인각의 사인의 곱의 절반임을 증명하고, 이로부터 사인법칙과 그것과 외접원의 반지름의 관계를 이끌어 내며, 피타고라스 정리를 특수한 경우로 포함하는 코사인법칙을 좌표로 증명하고, 두 법칙으로부터 세 변으로 넓이를 주는 헤론의 공식을 얻는다. 이 도구들로 풀이의 여러 경우를 살피며, 특히 모호한 경우, 곧 두 변과 그중 한 변의 대각이 어떤 이차방정식의 판별식과 근의 부호에 따라 삼각형을 하나도 정하지 않거나, 하나 또는 둘을 정하는 경우를 다룬다. 끝으로 내적으로 두 벡터가 이루는 각을 재고, 그 공식과 코사인법칙이 같은 사실을 두 가지로 읽은 것임을 보인다. 문제에서는 이 결과들을 중선, 다가갈 수 없는 거리의 측량, 평행사변형의 대각선에 적용한다.
학습 목표
- 두 변과 그 끼인각으로, 또는 헤론의 공식을 써서 세 변으로 삼각형의 넓이를 구한다.
- 사인법칙과 코사인법칙을 증명하고, 주어진 자료에 따라 어느 쪽에 기대는 것이 좋은지 가려낸다.
- 세 변, 두 변과 그 끼인각, 또는 한 변과 두 각이 주어진 삼각형을 풀고, 두 변과 그중 한 변의 대각이 주어질 때 해의 개수를 논의한다.
- 내적으로 두 벡터가 이루는 각을 구하고, 삼각형의 풀이를 기하 문제와 측량 문제에 적용한다.
기호와 미리 알아 둘 사실
삼각비에 관한 수업에서 예각의 사인, 코사인, 탄젠트를 직각삼각형의 변의 비로 정의하고, 그 뒤 단위원으로 모든 각에 확장하였다. 따라서 직각삼각형은 이 비들과 피타고라스 정리로 풀린다. 그런데 기하학과 토지 측량에 나타나는 삼각형은 대부분 직각을 하나도 갖지 않는다. 이 수업의 목적은 그 모두를 푸는 것이다.
꼭짓점이 , , 인 삼각형에서 같은 대문자는 꼭짓점과 그 꼭짓점에서의 삼각형의 내각의 크기를 나타내고, 대응하는 소문자는 대변의 길이를 나타낸다. 곧 는 변 의 길이, 는 변 의 길이, 는 변 의 길이이다. 삼각형의 넓이는 로 나타내고, 두 점 와 사이의 거리는 로 나타낸다. 삼각형의 풀이에서 흔히 하듯이 각은 도로 나타낸다. 그런데 삼각함수는 실수에 대하여 정의되어 있고, 그 실수는 라디안으로 잰 크기이다. 각과 그 측정에 관한 수업의 환산 규칙에 따르면 도인 각의 크기는 라디안이므로, 아래와 같이 약속한다. 는 을 나타내며, 다른 함수들도 마찬가지이다. 예를 들어 이다. 같은 방식으로, 값을 에서 갖는 아크코사인은 각의 크기를 라디안으로 돌려주며, 그 크기는 도로 나타낸다. 등식 은 를 뜻하며, 이는 인 각의 라디안 크기이다. 이 약속 아래에서 이하의 모든 내용은 를 로 바꾸면 라디안으로도 똑같이 성립한다. 각과 그 측정에 관한 수업에서처럼, 초등 기하학의 한 사실을 받아들인다. 이 강좌는 종합 기하학을 전개하지 않으므로 그것을 증명하지 않는다. 그 사실은 삼각형의 세 각의 합이 두 직각과 같다는 것이다.
이로부터 삼각형의 각 각은 와 사이에 엄격하게 놓이며, 그 가운데 직각이나 둔각인 것은 많아야 하나임이 따라 나온다. 그 밖에 이 단원의 앞선 수업들에서 아래의 사실들을 쓴다.
- 원점으로부터의 거리가 이고, 가로축의 양의 반축과 각 를 이루는 반직선 위에 있는 점의 좌표는 이다. 이것은 에 대응하는 단위원 위의 점에 을 곱한 것이다.
- 피타고라스 항등식 , 그리고 보각의 대칭성 및 .
- 이면 의 사인은 양수이다. 코사인은 가 예각이면 양수, 직각이면 0, 둔각이면 음수이다.
- 코사인은 와 사이에서 순감소하며, 이 구간에서 과 사이의 각 값을 정확히 한 번씩 갖는다. 따라서 역삼각함수에 관한 수업에 따라 삼각형의 각은 그 코사인으로 정해진다. 곧 이다.
이에 비해 사인은 삼각형의 각을 정하지 못한다. 각 와 는 같은 사인을 가지며, 아크사인 함수는 그 가운데 예각만을 돌려준다. 사인과 코사인 사이의 이 비대칭성은 끝에서 두 번째 절에서 어떤 자료가 서로 다른 두 삼각형을 허용하는 까닭을 설명해 줄 것이다.
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