나뭇잎 교과서

정칙곡선과 곡선의 길이

매끄러운 식으로 나타낸 곡선에도 뾰족한 점이 생길 수 있습니다. 점이 그곳에서 멈추기 때문입니다. 속도가 0이 되지 않는 곡선을 정칙곡선이라 하며, 정칙곡선의 길이는 속력을 적분해 구합니다. 이 절에서는 첨점이 생기는 까닭을 보고, 꺾은선의 길이가 곡선의 길이로 다가가는 모습을 확인합니다.

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정칙곡선과 곡선의 길이

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곡선 \(\vec r(t) = (t^2, t^3)\)의 두 성분은 다항식이어서 어디서나 몇 번이든 미분할 수 있다. 그런데 이 곡선을 그려 보면 원점에서 새의 부리처럼 뾰족하게 꺾인다. 매끄러운 함수로 만든 곡선에 어떻게 뾰족한 점이 생길까? 또 이 곡선의 \(t = 0\)부터 \(t = 2\)까지의 길이는 \(y = x^{3/2}\)의 \(x = 0\)부터 4까지의 길이와 같은데, 곡선의 길이는 매개변수를 어떻게 잡아도 같을까?

t = 0, 속도 0 x = t², y = t³ r′(t) = (2t, 3t²) r′(0) = (0, 0)
그림 1. 속도가 0이 되는 순간 점이 멈추었다가 방향을 바꾸어, 매끄러운 식으로도 뾰족한 점이 생긴다.
먼저 알아야 할 것공간에서의 속도와 가속도(공간에서의 속도와 가속도), 정적분, 치환적분.

2.5.1속도가 0이 되면

점이 곡선을 따라 움직이는 동안 속도 \(\vec r'(t)\)가 한 번도 영벡터가 되지 않으면, 매 순간 접선 방향이 하나로 정해지고 곡선은 꺾이지 않는다. 이런 곡선을 정칙곡선이라 한다. 반면 속도가 0이 되는 순간에는 점이 잠시 멈추고, 그 뒤에 아무 방향으로나 다시 움직일 수 있어 뾰족한 점이 생길 수 있다. \((t^2, t^3)\)은 \(\vec r'(t) = (2t, 3t^2)\)이어서 \(t = 0\)에서 속도가 0이다. \(t < 0\)에서는 왼쪽 아래에서 원점으로 다가오고, \(t > 0\)에서는 원점에서 오른쪽 위로 떠나는데, 두 방향이 모두 \(x\)축 쪽으로 접근해 부리 모양이 된다.

정리 2.5.1 곡선의 길이

모든 \(t\)에서 \(\vec r'(t) \ne \vec 0\)인 곡선을 정칙곡선이라 한다. 곡선 \(\vec r(t)\), \(a \le t \le b\)의 길이는 \[L = \int_a^b |\vec r'(t)|\,dt\]이며, 같은 곡선을 같은 방향으로 한 번 지나는 다른 매개변수로 나타내도 길이는 같다.

곡선의 길이는 곡선을 잘게 나눈 꺾은선의 길이의 극한이다. 짧은 시간 \(\Delta t\) 동안 점이 움직이는 거리는 빠르기 \(|\vec r'(t)|\)에 \(\Delta t\)를 곱한 것과 거의 같으므로, 이를 모두 더하면 적분이 된다. 매개변수를 \(t = \varphi(u)\)로 바꾸면 빠르기는 \(\varphi'(u)\)배가 되지만 \(dt = \varphi'(u)\,du\)이어서 적분값은 바뀌지 않는다. 그래서 곡선의 길이는 점이 얼마나 빨리 지나가는지와 상관없이 곡선 자체가 정한다.1

2.5.2정칙이 아니어도 길이는 잴 수 있다

뾰족한 점이 있어도 그 점을 사이에 둔 두 부분의 길이를 각각 구해 더하면 전체 길이를 잴 수 있다. 다만 뾰족한 점에서는 접선이 하나로 정해지지 않으므로, 접선이나 곡률처럼 방향에 관한 양은 그 점에서 다루지 않는다. 같은 곡선도 매개변수를 잘못 잡으면 정칙이 아니게 될 수 있다. 예를 들어 직선 \(y = x\)를 \((t^3, t^3)\)으로 나타내면 \(t = 0\)에서 속도가 0이지만 곡선 자체는 뾰족하지 않다. 그래서 정칙성은 곡선의 모양보다 매개변수를 잡는 방법의 성질이다.

매개변수빠르기길이 (t², t³), 0 ≤ t ≤ 2t√(4 + 9t²)약 9.07 (x, x^(3/2)), 0 ≤ x ≤ 4√(1 + 9x/4)약 9.07 정확한 값(8/27)(10√10 − 1)9.073
그림 2. 같은 곡선을 다른 매개변수로 나타내도 길이는 같다.

2.5.3예제 풀이

예제 2.5.2

곡선 \(\vec r(t) = (t^2, t^3)\)의 \(0 \le t \le 2\)인 부분의 길이를 구하고, 이 곡선이 \(y = x^{3/2}\)의 \(0 \le x \le 4\)인 부분과 같은 곡선임을 확인하여 두 방법의 길이가 같음을 보여라.

\(|\vec r'(t)| = \sqrt{4t^2 + 9t^4} = t\sqrt{4 + 9t^2}\)(\(t \ge 0\))이다. \(u = 4 + 9t^2\)으로 치환하면 \(du = 18t\,dt\)이므로 \(L = \int_0^2 t\sqrt{4 + 9t^2}\,dt = \dfrac{1}{18}\int_4^{40}\sqrt u\,du = \dfrac{1}{27}\left(40^{3/2} - 8\right) \approx \dfrac{252.98 - 8}{27} \approx 9.073\)이다.

\(x = t^2\), \(y = t^3\)에서 \(t \ge 0\)이면 \(t = \sqrt x\)이므로 \(y = x^{3/2}\)이고, \(t\)가 0에서 2로 가는 동안 \(x\)는 0에서 4로 간다. 이 곡선의 길이는 \(\int_0^4\sqrt{1 + \tfrac94x}\,dx = \dfrac{8}{27}\left[\left(1 + \tfrac94x\right)^{3/2}\right]_0^4 = \dfrac{8}{27}(10^{3/2} - 1) \approx 9.073\)으로 같다. 실제로 \(\tfrac{8}{27}\cdot10\sqrt{10} = \tfrac{1}{27}\cdot80\sqrt{10} = \tfrac{1}{27}40^{3/2}\)이다. 즉 속도가 영벡터가 되는 곳에서는 매끄러운 식으로도 뾰족한 점이 생길 수 있고, 곡선의 길이는 빠르기를 적분해 구하며 매개변수를 바꾸어도 같다.

아래 탐구 카드에서 매끄러운 매개변수 식이 뾰족한 곡선을 그리는 순간을 찾아보고, 휘어진 곡선의 길이를 꺾은선과 적분으로 재어 비교해 보자.

  1. 로봇 팔이나 공작 기계의 경로를 설계할 때는 정칙곡선을 쓴다. 속도가 0이 되는 곳에서는 기계가 갑자기 멈추었다가 방향을 바꾸어야 해서 큰 힘이 들고 가공면에 자국이 남기 때문이다.
마무리

속도 \(\vec r'(t)\)가 한 번도 영벡터가 되지 않는 곡선을 정칙곡선이라 하며, 속도가 0이 되는 순간에는 매끄러운 식으로도 뾰족한 점이 생길 수 있다. 곡선의 길이는 빠르기를 적분한 \(\int|\vec r'(t)|\,dt\)이고, 같은 곡선을 다른 매개변수로 나타내도 바뀌지 않는다. 처음 질문의 \((t^2, t^3)\)은 \(t = 0\)에서 속도가 0이어서 뾰족하고, \(0 \le t \le 2\)의 길이는 \(y = x^{3/2}\)로 구한 것과 같은 약 9.07이다.

탐구 1

매끄러운 매개변수 식이 왜 뾰족한 곡선을 그릴까?

정칙곡선 · 조작

  1. 질문\(x = t^2\), \(y = t^3\)은 미분하면 몇 번이고 미분할 수 있는 매끄러운 함수인데, 그리면 \(t = 0\)에서 뾰족한 점이 생긴다. 무엇이 잘못된 걸까?
  2. 복원곡선 \(\vec{r}(t)\)의 속도 \(\vec{r}\,'(t)\)는 접선 방향을 가리킨다.
  3. 설명모든 \(t\)에서 \(\vec{r}\,'(t) \ne \vec{0}\)인 매개변수 곡선을 정칙곡선이라 한다. 정칙곡선은 어디서나 접선 방향이 정해져 매끄럽다. 반대로 \(\vec{r}\,'(t_0) = \vec{0}\)이면 점이 그 순간 멈췄다 다시 출발하므로 방향을 갑자기 바꿀 수 있고, 뾰족한 점(첨점)이 생길 수 있다. \((t^2, t^3)\)과 사이클로이드는 속도가 0인 곳에서 첨점이 생기고, \((t^3, t^3)\)은 속도가 0인 곳이 있지만 같은 직선을 되밟지 않아 그림은 매끄럽다. 곡선의 길이, 곡률 같은 성질은 정칙곡선에서 다룬다.
  4. 연결로봇 팔의 끝이 첨점을 지나려면 그 순간 멈춰야 한다. 그래서 경로 설계에서는 정칙인 매개변수를 고른다. 다음 카드와 6절은 정칙곡선의 길이와 길이 매개변수를 다룬다.
  5. 적용곡선마다 \(t\)를 움직이며 속도 벡터의 크기가 0이 되는 곳을 찾자. 그곳에서 곡선의 모양은 어떤가? \((t^3, t^3)\)은 정칙곡선인가? 그림은 어떤가?
  6. 판단"정칙이 아니면 반드시 뾰족하다"도, "그림이 매끄러우면 정칙이다"도 틀린다. 정칙성은 그림이 아니라 매개변수(점이 움직이는 방식)의 성질이다. 같은 직선 \(y = x\)도 \((t, t)\)로 쓰면 정칙, \((t^3, t^3)\)으로 쓰면 정칙이 아니다.

확인조건이 달라지면

다음 중 정칙곡선은?

탐구 2

휘어진 곡선의 길이는 어떻게 잴까?

곡선의 길이 · 시뮬레이션

  1. 질문자는 직선의 길이만 잴 수 있다. 사이클로이드처럼 휘어진 곡선의 길이는 어떻게 정의하고 계산할까?
  2. 복원두 점 사이의 거리는 \(\sqrt{(\Delta x)^2 + (\Delta y)^2}\)이고, 정적분은 잘게 나눈 합의 극한이다.
  3. 설명곡선 위에 점을 찍어 꺾은선으로 이으면 그 길이는 곡선의 길이보다 짧거나 같고, 점을 늘릴수록 커지며 한 값에 다가간다. 그 극한이 곡선의 길이이다. 한 조각의 길이는 \(\sqrt{(\Delta x)^2 + (\Delta y)^2} \approx |\vec{r}\,'(t)|\Delta t\)이므로 정칙곡선 \(\vec{r}(t)\) \((a \le t \le b)\)의 길이는 \(L = \int_a^b |\vec{r}\,'(t)|\,dt\)이다. 공간곡선도 \(|\vec{r}\,'| = \sqrt{x'^2 + y'^2 + z'^2}\)으로 같다. 사이클로이드 한 아치는 \(|\vec{r}\,'| = 2\sin\frac{t}{2}\)이라 \(L = 8\)(반지름 1)이다.
  4. 연결이 적분은 "속력을 시간에 대해 적분하면 이동 거리"와 같은 이야기이다. 1658년 렌은 사이클로이드 한 아치의 길이가 바퀴 지름의 4배임을 보였다.
  5. 적용\(n\)을 늘리며 꺾은선의 길이가 어떻게 커지는지 보고, 적분으로 구한 값과 비교해 보자. 반원에서는 \(\pi\)에 다가가는가? 같은 \(n\)에서 오차가 가장 큰 곡선은 어느 것인가?
  6. 판단꺾은선의 길이는 늘 곡선의 길이보다 작으므로(두 점 사이에서는 직선이 가장 짧음), 몇 개의 점만 찍어 잰 길이는 실제보다 짧게 나온다. 해안선처럼 아주 구불구불한 경계는 점을 늘릴수록 길이가 계속 늘어나기도 한다.

확인조건이 달라지면

나선 \((\cos t, \sin t, t)\) \((0 \le t \le 2\pi)\)의 길이는?

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