나뭇잎 교과서

극곡선의 접선

극곡선은 \(\theta\)를 매개변수로 하는 곡선 \(x = f(\theta)\cos\theta\), \(y = f(\theta)\sin\theta\)입니다. 그래서 매개변수로 나타낸 곡선의 미분법으로 접선의 기울기를 구합니다. 극곡선에서는 반지름과 접선이 이루는 각 \(\psi\)가 특히 쓸모 있습니다. 이 절에서는 카디오이드에서 가장 높은 점을 찾고, 목표를 늘 같은 각도로 보며 나는 새의 길이 로그나선이 되는 것을 시뮬레이션으로 확인합니다.

본문

극곡선의 접선

본문

나방은 멀리 있는 달빛을 기준으로 날 때 달을 늘 같은 각도로 보며 곧게 난다. 그런데 가까운 가로등을 달로 착각해 가로등을 늘 진행 방향에서 같은 각도로 보며 날면, 나방은 곧게 가지 못하고 가로등 둘레를 빙빙 돌며 점점 다가간다. 이 길은 극에서 그은 선과 접선이 늘 같은 각을 이루는 곡선이다. 극방정식으로 나타낸 곡선의 접선은 어떻게 구하고, 그런 곡선의 방정식은 무엇일까?

극 (가로등) 극 (가로등) 접선반지름 로그 나선 r = e^(aθ) 반지름과 접선의 각이 늘 같다
그림 1. 로그 나선은 극에서 그은 선과 접선이 어디서나 같은 각 \(\psi\)를 이룬다. 그림은 개념을 보이기 위한 개략도이다.
먼저 알아야 할 것매개변수로 나타낸 함수의 미분, 곱의 미분법, 접선의 기울기, 극곡선의 그래프(극곡선의 대칭성과 그래프).

2.3.1극곡선을 매개변수 곡선으로 보다

극곡선 \(r = f(\theta)\) 위의 점은 직교좌표로 \(x = f(\theta)\cos\theta\), \(y = f(\theta)\sin\theta\)이다. 그래서 극곡선은 \(\theta\)를 매개변수로 하는 곡선이고, 접선의 기울기는 매개변수 미분법으로 \(\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{dy/d\theta}{dx/d\theta}\)이다. 곱의 미분법으로 \(dx/d\theta\)와 \(dy/d\theta\)를 구하면 극곡선의 접선 기울기 공식이 나온다. \(dy/d\theta = 0\)이고 \(dx/d\theta \ne 0\)인 곳에서 접선이 수평이고, 반대로 \(dx/d\theta = 0\)인 곳에서 수직이다.

정리 2.3.1 극곡선의 접선

\(r = f(\theta)\)이고 \(r' = f'(\theta)\)이면 \[\frac{dy}{dx} = \frac{r'\sin\theta + r\cos\theta}{r'\cos\theta - r\sin\theta}\]이다. 극에서 그은 반지름과 접선이 이루는 각 \(\psi\)는 \(\tan\psi = \dfrac{r}{r'}\)을 만족한다.

\(\tan\psi = r/r'\)은 극곡선을 다룰 때 직교좌표의 기울기보다 편리하다. 반지름 방향으로의 변화가 \(r'\Delta\theta\), 그에 수직인 원 방향으로의 변화가 \(r\Delta\theta\)이므로, 두 변화의 비가 반지름과 접선 사이 각의 탄젠트가 되는 것이다. 원 \(r = c\)는 \(r' = 0\)이어서 \(\psi = 90°\)로, 반지름과 접선이 늘 수직이다. 그리고 \(r/r'\)이 상수가 되는 곡선, 곧 \(r' = ar\)을 만족하는 \(r = e^{a\theta}\)가 모든 점에서 같은 각을 이루는 로그 나선이다.1

2.3.2카디오이드의 수평 접선

카디오이드 \(r = 1 + \cos\theta\)에서 \(y = (1 + \cos\theta)\sin\theta\)이므로 \(\dfrac{dy}{d\theta} = -\sin^2\theta + \cos\theta + \cos^2\theta = 2\cos^2\theta + \cos\theta - 1\)이다. 이것을 인수분해하면 \((2\cos\theta - 1)(\cos\theta + 1)\)이므로 \(\cos\theta = 1/2\) 또는 \(\cos\theta = -1\)이다. \(\cos\theta = -1\)인 \(\theta = \pi\)는 \(dx/d\theta\)도 0인 극의 뾰족한 점이어서 따로 살펴야 한다. 그래서 수평 접선은 \(\theta = \pi/3\)과 \(5\pi/3\)에서 생긴다.

곡선r′tan ψ = r/r′ψ 원 r = 20정의 안 됨늘 90° 로그 나선 r = e^(θ/√3)r/√3√3늘 60° 카디오이드 θ = π/2−1−1135°
그림 2. 로그 나선만이 원처럼 어디서나 같은 각을 이루면서도 극에 점점 다가간다.

2.3.3예제 풀이

예제 2.3.2

카디오이드 \(r = 1 + \cos\theta\)에서 접선이 수평인 점의 직교좌표를 구하여라. 또 나방이 가로등을 늘 진행 방향에서 60° 안쪽으로 보며 날 때, 그 길을 로그 나선 \(r = r_0e^{a\theta}\)로 나타내어 \(a\)를 구하여라.

\(\theta = \pi/3\)에서 \(r = 1 + \tfrac12 = \tfrac32\)이므로 점은 \(\left(\tfrac32\cos\tfrac\pi3, \tfrac32\sin\tfrac\pi3\right) = \left(\tfrac34, \tfrac{3\sqrt3}{4}\right)\)이다. 대칭으로 \(\theta = 5\pi/3\)에서는 \(\left(\tfrac34, -\tfrac{3\sqrt3}{4}\right)\)이다. 카디오이드에서 가장 높은 점과 가장 낮은 점이고, 높이는 \(3\sqrt3/4 \approx 1.30\)이다.

로그 나선에서 \(r' = ar\)이므로 \(\tan\psi = 1/a\)이다. 반지름과 접선의 각이 60°이면 \(\tan60° = \sqrt3 = 1/a\)에서 \(a = 1/\sqrt3\)이다. 나방이 가로등 쪽으로 다가가며 돌고 있다면 \(\theta\)가 늘수록 \(r\)이 줄어야 하므로, 도는 방향에 따라 \(a = -1/\sqrt3\)으로 잡는다. 한 바퀴 돌 때마다 거리는 \(e^{-2\pi/\sqrt3} \approx 0.027\)배로 줄어 나방은 몇 바퀴 만에 가로등에 닿는다. 즉 극곡선의 접선은 매개변수 미분으로 구하고, 반지름과 접선의 각 \(\tan\psi = r/r'\)이 일정한 곡선이 로그 나선이다.

아래 탐구 카드에서 카디오이드의 수평 접선을 찾아보고, 목표를 늘 같은 각도로 보며 나는 길을 그려 로그 나선과 비교해 보자.

  1. 야코프 베르누이는 로그 나선이 확대하거나 돌려도 자기 자신과 같아지는 성질에 반해, 자기 묘비에 이 나선과 함께 "변하여도 같은 모습으로 다시 일어선다"는 뜻의 라틴어를 새겨 달라고 했다. 그러나 석공은 아르키메데스 나선을 새겨 놓았다.
마무리

극곡선 \(r = f(\theta)\)는 \(x = r\cos\theta\), \(y = r\sin\theta\)인 매개변수 곡선이어서 접선의 기울기는 \(dy/d\theta\)를 \(dx/d\theta\)로 나누어 구하고, 반지름과 접선이 이루는 각은 \(\tan\psi = r/r'\)이다. 이 각이 어디서나 일정한 곡선이 로그 나선 \(r = e^{a\theta}\)이다. 처음 질문의 나방은 가로등을 늘 같은 각도로 보며 날아 로그 나선을 그리며 가로등에 다가가고, 카디오이드는 \((3/4, \pm3\sqrt3/4)\)에서 접선이 수평이다.

탐구 1

카디오이드에서 접선이 수평인 곳은 어디일까?

극곡선의 접선 · 조작
\(\frac{dy}{dx}\)
—
\(\frac{dr}{d\theta}\)
—
\(\psi\) (반지름과 접선의 각)
—
  1. 질문카디오이드 \(r = 1 + \cos\theta\)의 가장 높은 점은 어디일까? \(r\)이 가장 큰 \(\theta = 0\)은 오른쪽 끝일 뿐 가장 높은 점이 아니다. 높이가 가장 큰 곳은 접선이 수평인 곳인데, 극곡선의 접선 기울기는 어떻게 구할까?
  2. 복원매개변수로 나타낸 곡선 \(x = x(\theta)\), \(y = y(\theta)\)의 접선 기울기는 \(\frac{dy}{dx} = \frac{dy/d\theta}{dx/d\theta}\)이다.
  3. 설명극곡선은 \(\theta\)를 매개변수로 하는 곡선 \(x = f(\theta)\cos\theta\), \(y = f(\theta)\sin\theta\)이다. 곱의 미분법으로 \[\frac{dy}{dx} = \frac{f'(\theta)\sin\theta + f(\theta)\cos\theta}{f'(\theta)\cos\theta - f(\theta)\sin\theta}\]이다. 분자가 0이면(분모는 0이 아닐 때) 수평 접선, 분모가 0이면 수직 접선이다. 극에서 점으로 그은 선분과 접선이 이루는 각 \(\psi\)는 \(\tan\psi = \frac{r}{dr/d\theta}\)로 더 간단히 구할 수 있다.
  4. 연결카디오이드에서 분자는 \(-\sin\theta\sin\theta + (1 + \cos\theta)\cos\theta = 2\cos^2\theta + \cos\theta - 1 = (2\cos\theta - 1)(\cos\theta + 1)\)이므로 \(\cos\theta = \frac{1}{2}\), 곧 \(\theta = \frac{\pi}{3}\)에서 가장 높다. \(\theta = \pi\)(극)에서는 분자와 분모가 모두 0이라 따로 살펴야 한다. 이 각 \(\psi\)는 다음 절에서 두 극곡선이 만나는 각을 구할 때 쓴다.
  5. 적용\(\theta\)를 움직여 접선이 수평이 되는 곳을 찾고 표시된 점과 비교해 보자. 원 \(r = 2\cos\theta\)에서 \(\psi\)와 \(\theta\) 사이에 어떤 관계가 보이는가? 카디오이드의 극 근처에서 접선은 어느 방향을 향하는가?
  6. 판단\(\frac{dr}{d\theta}\)는 접선의 기울기가 아니다. \(\frac{dr}{d\theta} = 0\)인 곳은 극에서 가장 멀거나 가까운 점이지, 접선이 수평인 점이 아니다. 접선의 기울기는 언제나 \(\frac{dy}{dx}\)로 구한다.

확인조건이 달라지면

원 \(r = 2\sin\theta\) 위의 \(\theta = \frac{\pi}{4}\)인 점에서 접선의 기울기는?

탐구 2

목표를 늘 같은 각도로 보며 날면 어떤 길이 될까?

로그나선 · 접선과 반지름의 각 · 시뮬레이션
날아간 거리 (시뮬레이션)
—
\(\frac{r_0}{\cos\alpha}\)
—
목표 둘레를 돈 바퀴 수
—

출발점은 목표에서 \(r_0 = 1\)만큼 떨어져 있다. 시뮬레이션은 아주 짧은 걸음마다 방향을 다시 맞추며 나는 모형이고, 목표에서 \(0.001\) 안쪽에 들면 멈춘다.

  1. 질문먹이를 향해 똑바로 날려면 고개를 돌려 먹이를 정면에 두어야 한다. 고개를 돌리면 공기 저항이 커지므로, 고개를 곧게 둔 채 먹이를 늘 같은 옆 방향(진행 방향에서 각 \(\alpha\))에 두고 날 수도 있다. 그러면 어떤 길로 다가가게 될까?
  2. 복원극곡선 위의 점에서 반지름 방향과 접선이 이루는 각 \(\psi\)는 \(\tan\psi = \frac{r}{dr/d\theta}\)를 만족한다.
  3. 설명진행 방향(접선)과 목표 방향(반지름의 반대 방향)이 늘 각 \(\alpha\)를 이루므로 \(\psi = \pi - \alpha\)가 일정하다. 따라서 \(\frac{dr/d\theta}{r} = -\cot\alpha\), 곧 \[r = r_0 e^{-\theta\cot\alpha}\]이고 이 곡선을 로그나선(등각나선)이라고 한다. 목표 둘레를 무한히 돌지만, 극에 이르기까지 날아간 거리는 \(\frac{r_0}{\cos\alpha}\)로 유한한다. 한 걸음 \(ds\)마다 목표와의 거리가 \(\cos\alpha\,ds\)씩 줄기 때문이다.
  4. 연결터커(V. A. Tucker, 2000)는 송골매의 눈에서 가장 잘 보는 곳(중심와)이 머리 정면에서 약 \(40^\circ\) 옆을 향한다는 점을 들어, 매가 머리를 곧게 둔 채 먹이를 그 방향에 두고 날면 경로가 로그나선이 된다고 설명했다. 끝없이 감기는데도 거리가 유한하다는 계산은 이상적분(끝없이 뻗은 꼬리 아래의 넓이)과 같은 생각이다.
  5. 적용\(\alpha\)를 바꾸며 날려 보자. \(\alpha\)가 \(90^\circ\)에 가까우면 길은 어떻게 되는가? 시뮬레이션의 거리가 \(\frac{r_0}{\cos\alpha}\)와 같은가? \(\alpha = 40^\circ\)일 때 곧장 날아가는 거리 1보다 얼마나 더 나는가?
  6. 판단앵무조개 껍데기가 로그나선에 가까운 것은 맞지만, 흔히 말하는 "황금비 나선"은 아니다. 실제로 재어 보면 껍데기마다 나선의 비율이 다르고 대부분 황금비와 거리가 멀다. 어떤 곡선에 가깝다는 말과 특정한 수와 같다는 말은 구분해야 한다.

확인조건이 달라지면

로그나선 \(r = e^{\theta}\)에서 반지름 방향과 접선이 이루는 각 \(\psi\)는?

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