나뭇잎 교과서

일반각과 호도법

지금까지 각은 두 반직선이 벌어진 정도라서 \(0^\circ\)에서 \(360^\circ\) 사이였습니다. 바퀴나 지구처럼 계속 도는 것을 다루려면 몇 바퀴를 어느 방향으로 돌았는지까지 담는 각이 필요합니다. 이 절에서는 회전한 양으로 각을 정하는 일반각을 배우고, 각을 호의 길이와 반지름의 비로 재는 호도법으로 각을 실수처럼 다룰 준비를 합니다.

먼저 알면 좋은 것 삼각비부채꼴의 호의 길이와 넓이원주율 \(\pi\)
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일반각과 호도법

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시계의 분침이 두 바퀴 돌면 몇 도 돈 것일까? 0°일까, 720°일까? 또 각도를 왜 하필 한 바퀴를 360으로 나눈 '도'로 재야 할까? 반지름과 호의 길이만으로 각을 재는 방법은 없을까?

그림 1. 각 \(\theta\)는 시초선에서 동경이 돈 양이다. 호도법에서는 반지름이 1인 원에서 동경이 지나간 호의 길이로 각을 잰다.
먼저 알아야 할 것중학교의 삼각비, 부채꼴의 호의 길이와 넓이, 원주율 \(\pi\), 좌표평면의 사분면.

2.1.1일반각

중학교에서 각은 0°부터 180° 사이의 도형의 크기였다. 그런데 바퀴나 시곗바늘처럼 도는 것을 다루려면 각을 '얼마나 돌았는가'로 넓혀야 한다. 고정된 반직선 \(OX\)(시초선)에서 출발해 반직선 \(OP\)(동경)가 \(O\)를 중심으로 돈 양을 각으로 본다. 시곗바늘과 반대 방향을 양의 방향, 같은 방향을 음의 방향으로 정한다.

그러면 분침이 두 바퀴 돈 것은 720°이고, 한 바퀴 반 거꾸로 돈 것은 \(-540^\circ\)이다. 그런데 동경의 위치만 보면 720°와 0°, 390°와 30°는 같은 자리이다. 그래서 동경의 위치가 같은 각들을 한꺼번에 나타내는 방법이 필요하다.

정의 2.1.1 일반각

동경 \(OP\)가 나타내는 한 각의 크기를 \(\alpha^\circ\)라 하면, 동경 \(OP\)가 나타내는 각은 \(360^\circ \times n + \alpha^\circ\ (n\text{은 정수})\)이고, 이것을 동경 \(OP\)의 일반각이라 한다.

2.1.2호도법

한 바퀴를 360으로 나눈 것은 자연이 정해 준 값이 아니라 사람이 고른 눈금이다. 360은 약수가 24개나 되어 반, 3분의 1, 4분의 1, 6분의 1, 8분의 1 바퀴가 모두 자연수로 떨어지고, 정삼각형의 한 각도 60°로 깔끔하다. 계산하기 편하라고 고른 눈금이지만, 그 대신 각의 크기가 원의 길이와는 아무 관계가 없는 수가 된다. 그래서 원이 스스로 가진 길이, 곧 반지름과 호의 길이만으로 각을 재는 방법을 생각해 보자.

반지름이 \(r\)인 원에서 중심각 \(\theta\)인 부채꼴의 호의 길이는 \(\theta\)에 비례한다. 반지름을 두 배로 하면 호의 길이도 두 배가 되므로, 호의 길이를 반지름으로 나눈 값 \(\dfrac{l}{r}\)은 원의 크기와 상관없이 각에만 달려 있다. 이 비를 각의 크기로 쓰는 것이 호도법이다.

정의 2.1.2 라디안

반지름의 길이와 호의 길이가 같은 부채꼴의 중심각의 크기를 1라디안이라 한다. 반지름이 \(r\)인 원에서 호의 길이가 \(l\)인 부채꼴의 중심각은 \(\theta = \dfrac{l}{r}\)라디안이다.

한 바퀴의 호, 곧 원주는 \(2\pi r\)이므로 한 바퀴는 \(\dfrac{2\pi r}{r} = 2\pi\)라디안이다. 따라서 \(360^\circ = 2\pi\), \(180^\circ = \pi\)이고, \(1\)라디안 \(= \dfrac{180^\circ}{\pi} \approx 57.3^\circ\)이다. 그림 1의 슬라이더로 각을 바꾸어 보면, 반지름 1인 원에서 호의 길이가 곧 라디안 값이다. 라디안을 쓸 때는 단위를 보통 생략한다.1

r호의 길이 r1 rad 한 바퀴 = 2π rad = 360°π rad = 180°1 rad ≈ 57.3°
그림 2. 반지름과 같은 길이의 호에 대한 중심각이 1라디안이다.

호도법을 쓰면 부채꼴의 공식이 간단해진다. 호의 길이는 \(l = r\theta\)이고, 넓이는 \(S = \dfrac{1}{2}r^2\theta = \dfrac{1}{2}rl\)이다. 도로 쓸 때의 \(\dfrac{\theta}{360}\)을 곱하는 번거로움이 사라진다.

라디안의 좋은 점은 각이 작을 때 더 잘 드러난다. 반지름 1인 원에서 중심각이 아주 작으면 호는 거의 곧은 선분이 되어, 호의 길이 \(\theta\)와 동경 끝의 높이 \(\sin\theta\)가 거의 같아진다. 실제로 \(\sin 0.1 \approx 0.0998\)이다. 같은 각을 도로 쓰면 약 5.73°인데, \(\sin 5.73^\circ \approx 0.0998\)은 5.73과 전혀 가깝지 않아서 둘을 비교하려면 \(\dfrac{\pi}{180}\)을 곱하는 수고가 따른다. 각을 길이로 재었기 때문에 각과 길이를 바로 비교할 수 있는 것이다.

2.1.3예제 풀이

예제 2.1.3

\(1000^\circ\)와 \(-200^\circ\)는 각각 몇 사분면의 각인가? 또 반지름이 6이고 중심각이 \(\dfrac{2\pi}{3}\)인 부채꼴의 호의 길이와 넓이를 구하여라.

\(1000^\circ = 360^\circ \times 2 + 280^\circ\)이므로 동경은 \(280^\circ\)와 같은 자리이고, 제4사분면의 각이다. \(-200^\circ = 360^\circ \times (-1) + 160^\circ\)이므로 제2사분면의 각이다. 일반각에서 \(360^\circ\)의 배수를 떼어 내면 0°와 360° 사이의 각 하나로 위치를 읽을 수 있다.

부채꼴의 호의 길이는 \(l = r\theta = 6 \times \dfrac{2\pi}{3} = 4\pi\)이고, 넓이는 \(S = \dfrac{1}{2} \times 6 \times 4\pi = 12\pi\)이다.

도로 확인하면 \(\dfrac{2\pi}{3} = 120^\circ\)이므로 호의 길이는 \(2\pi \times 6 \times \dfrac{120}{360} = 4\pi\)로 같다. 아래 탐구 카드에서 동경을 여러 바퀴 돌리고, 원의 크기를 바꾸며 라디안이 변하지 않는지 직접 확인해 보자.

  1. 라디안은 길이를 길이로 나눈 비율이라 단위가 없는 수이다. 그래서 \(\sin x\)를 다항식처럼 다루거나 미분할 때 라디안을 쓰면 식이 가장 간단해진다.
마무리

일반각은 동경이 돈 양을 방향과 바퀴 수까지 포함해 나타내므로, 같은 위치의 각은 \(360^\circ\)의 정수배만큼씩 다르다. 호도법은 반지름에 대한 호의 길이의 비로 각을 재어, 한 바퀴가 \(2\pi\)라디안이 된다. 그래서 처음 질문의 분침이 두 바퀴 돈 각은 \(720^\circ\), 곧 \(4\pi\)라디안이고, 동경의 위치는 0°와 같다.

탐구 1

두 바퀴 돈 각은 \(720^\circ\)일까, \(0^\circ\)일까?

일반각 · 시초선과 동경
일반각 \(\theta\)
—
\(360^\circ\times n + \alpha\)
—
동경의 위치
—

—

동경 끝 P를 끌어 돌려 보자. 안쪽 나선이 지금까지 회전한 양이고, 시계 반대 방향은 초록, 시계 방향은 붉은색이다.

  1. 질문시곗바늘이 12시에서 출발해 두 바퀴 돌고 제자리에 왔다. 바늘의 위치만 보면 처음과 같다. 그러면 바늘이 돈 각은 \(0^\circ\)일까, \(720^\circ\)일까? 돈 양까지 담는 각은 어떻게 정할까?
  2. 복원중학교에서는 각을 두 반직선이 벌어진 정도로 보았다. 그래서 각의 크기는 \(0^\circ\)에서 \(360^\circ\) 사이였고, 삼각비는 \(0^\circ\)에서 \(90^\circ\)까지만 다뤘다.
  3. 설명평면 위에 고정한 반직선 OX를 시초선, 점 O를 중심으로 도는 반직선 OP를 동경이라 한다. 각의 크기는 동경이 시초선에서 출발해 회전한 양으로 정하는데, 시계 반대 방향으로 돌면 양의 각, 시계 방향으로 돌면 음의 각이다. 그래서 각은 \(360^\circ\)보다 클 수도, 음수일 수도 있다. 동경 OP가 시초선과 이루는 각 하나를 \(\alpha^\circ\)라 하면, 동경 OP가 나타내는 각은 모두 \(360^\circ\times n + \alpha^\circ\) (\(n\)은 정수) 꼴이다. 이것을 동경 OP가 나타내는 일반각이라 하고, \(\alpha\)는 보통 \(0^\circ \le \alpha < 360^\circ\)로 잡는다. 또 시초선을 \(x\)축의 양의 부분에 두었을 때 동경이 제1사분면에 있으면 그 각을 제1사분면의 각이라 하고, 나머지 사분면도 같은 방식으로 부른다.
  4. 연결바퀴, 톱니, 지구의 자전처럼 계속 도는 운동은 회전한 양을 기억하는 각으로 나타내야 한다. 그리고 이 각으로 삼각함수를 정의하면, 같은 동경을 나타내는 각마다 사인과 코사인 값이 같아서 \(360^\circ\)마다 값이 되풀이된다.
  5. 적용\(30^\circ, 390^\circ, -330^\circ, 750^\circ\) 단추를 차례로 눌러 동경의 위치와 나선이 어떻게 다른지 보고, 네 각의 \(\alpha\)가 모두 같은지 확인해 보자. 다음에는 \(-45^\circ\)가 제몇사분면의 각이고 \(\alpha\)가 얼마인지 구하고, P를 끌어 두 바퀴를 돌리면 \(\theta\)가 얼마가 되는지도 보자.
  6. 판단동경의 위치만 보고는 몇 바퀴 돌았는지 알 수 없다. 한 동경이 나타내는 각은 무수히 많기 때문이다. 또 \(-45^\circ\)를 "\(\alpha = 45^\circ\)"로 적는 실수가 흔한데, \(-45^\circ = 360^\circ\times(-1) + 315^\circ\)이므로 \(\alpha\)는 \(315^\circ\)이다. 그리고 동경이 \(0^\circ, 90^\circ, 180^\circ, 270^\circ\)처럼 좌표축 위에 있으면 어느 사분면의 각도 아니다.

확인조건이 달라지면

\(-1000^\circ\)를 나타내는 동경은 어디에 있을까?

탐구 2

각의 크기를 길이의 비로 잴 수 있을까?

호도법 · 라디안
중심각 (도)
—
\(l \div r\) (라디안)
—
호의 길이 \(l = r\theta\)
—
넓이 \(S = \frac{1}{2}r^2\theta\)
—

호 위의 눈금 \(1, 2, 3, \cdots\)은 반지름 길이를 호를 따라 하나씩 이어 붙인 자리이다. 연한 초록 호는 같은 중심각의 다른 원이다.

  1. 질문\(360^\circ\)라는 수는 한 바퀴를 360등분하기로 약속해서 생겼다. 약속 없이 도형만으로 각의 크기를 잴 방법은 없을까?
  2. 복원반지름이 \(r\)인 원의 둘레는 \(2\pi r\)이다. 그리고 한 원에서 부채꼴의 호의 길이와 넓이는 중심각의 크기에 비례한다.
  3. 설명중심각이 같은 부채꼴은 서로 닮음이므로, 반지름이 2배가 되면 호의 길이도 2배가 된다. 그래서 호의 길이를 반지름으로 나눈 \(\frac{l}{r}\)은 반지름과 관계없이 중심각만으로 정해진다. 이 값으로 각을 재는 방법을 호도법이라 하고, 단위를 라디안이라 한다. 호의 길이가 반지름과 같은 부채꼴의 중심각이 1라디안이다. 한 바퀴는 \(\frac{2\pi r}{r} = 2\pi\)이므로 \(360^\circ = 2\pi\), \(180^\circ = \pi\)이고, 1라디안 \(= \frac{180^\circ}{\pi} \approx 57.3^\circ\), \(1^\circ = \frac{\pi}{180}\)이다. 호도법으로 나타낸 중심각 \(\theta\)를 쓰면 부채꼴의 호의 길이는 \(l = r\theta\), 넓이는 \(S = \frac{1}{2}r^2\theta = \frac{1}{2}rl\)이다.
  4. 연결일반각도 호도법으로 \(2n\pi + \alpha\) (\(n\)은 정수)로 쓴다. 그런데 라디안은 길이를 길이로 나눈 값이라 단위가 없는 실수이다. 그래서 각을 실수 \(x\)로 보고 \(y = \sin x\)처럼 함수로 다룰 수 있고, 삼각함수의 그래프는 가로축에 라디안을 쓴다. 보통 '라디안'이라는 단위는 생략한다.
  5. 적용\(\theta\)를 \(90^\circ\)에 두고 \(r\)을 1, 2, 3으로 바꿔 보면, 호의 길이 막대는 늘어나는데 \(l \div r\) 막대는 그대로이다. \(\theta\)를 \(180^\circ\)로 놓고 \(l \div r\)가 얼마인지, 반원 둘레에 반지름이 몇 개 들어가는지 보자. 그리고 호 위의 눈금 1이 반지름 끝에 꼭 닿는 각을 찾아 도로 읽어 보자.
  6. 판단\(\pi\)는 180이 아니라 약 3.14인 수이다. "\(\pi = 180^\circ\)"는 \(\pi\)라디안과 \(180^\circ\)가 같은 크기의 각이라는 뜻이다. 또 \(l = r\theta\), \(S = \frac{1}{2}r^2\theta\)는 \(\theta\)를 라디안으로 넣을 때만 성립하므로, 도로 넣으면 \(l = r\theta\times\frac{\pi}{180}\)처럼 환산이 필요하다.

확인조건이 달라지면

반지름이 4이고 중심각이 \(\frac{3\pi}{4}\)인 부채꼴의 호의 길이는?

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