나뭇잎 교과서

점과 직선 사이의 거리

점에서 직선까지 갈 수 있는 길은 무수히 많지만, 그중 가장 짧은 길은 하나입니다. 이 절에서는 그 길이 직선에 수직임을 확인하고, 수직 조건과 두 점 사이의 거리를 이어 점과 직선 사이의 거리 공식을 얻습니다. 이 공식으로 꼭짓점의 좌표만 아는 삼각형의 넓이도 구합니다.

먼저 알면 좋은 것 두 점 사이의 거리두 직선의 수직 조건직선의 방정식 \(ax + by + c = 0\)
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점과 직선 사이의 거리

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곧은 둑 \(3x + 4y - 12 = 0\)에서 떨어진 마을 \(P(5, 4)\)가 있다. 마을에서 둑까지 가장 짧은 길은 둑의 어디로 가야 하고, 그 길이는 얼마일까? 둑 위의 점을 하나하나 재 보지 않고 식 하나로 얻을 수 있을까?

그림 1. 직선 위의 점 \(Q\)를 움직이면 \(PQ\)는 \(Q\)가 수선의 발 \(H\)에 올 때 가장 짧고, 그 길이가 점과 직선 사이의 거리이다.
먼저 알아야 할 것두 점 사이의 거리(선분의 내분점), 두 직선의 수직 조건(두 직선의 평행과 수직), 직각삼각형에서 빗변이 가장 길다는 사실.

1.3.1가장 짧은 길은 수직인 길

그림 1에서 둑 위의 점 \(Q\)를 왼쪽 끝부터 오른쪽으로 옮겨 보자. \(PQ\)의 길이는 줄어들다가 어느 점에서 가장 작아지고, 그 뒤로 다시 늘어난다. 가장 짧아지는 그 점에서 \(PQ\)는 둑과 수직이다.

까닭은 직각삼각형에 있다. \(P\)에서 직선에 수직으로 내린 선이 직선과 만나는 점을 \(H\)라 하면, 직선 위의 다른 점 \(Q\)에 대해 삼각형 \(PHQ\)는 \(H\)에서 직각이다. 따라서 빗변 \(PQ\)는 \(PH\)보다 길다. 즉 점과 직선 사이의 거리는 수선의 발 \(H\)까지의 거리 \(PH\)이다.

1.3.2공식 만들기

\(H\)를 구하려면 수선의 방정식을 세우고 직선과 연립하면 된다. 처음 질문에서 둑의 기울기는 \(-\tfrac{3}{4}\)이므로 수선의 기울기는 \(\tfrac{4}{3}\)이다. \(P(5, 4)\)를 지나는 수선은 \(y - 4 = \tfrac{4}{3}(x - 5)\)이고, 둑의 식과 연립하면 \(25x = 68\)이므로 \(H\left(\tfrac{68}{25}, \tfrac{24}{25}\right)\)이다. 따라서 \(PH = \sqrt{\left(\tfrac{57}{25}\right)^2 + \left(\tfrac{76}{25}\right)^2}\)인데, 분수 계산이 길고 실수하기 쉽다.

같은 계산을 문자로 끝까지 하면 깔끔한 공식이 나온다. \(P(x_1, y_1)\)과 직선 \(ax + by + c = 0\)에서, 수선의 방향은 \((a, b)\)이므로 \(H = (x_1 + at,\ y_1 + bt)\)로 쓸 수 있다.1 \(H\)가 직선 위에 있으므로 \(a(x_1 + at) + b(y_1 + bt) + c = 0\)이고, 여기서 \(t = -\dfrac{ax_1 + by_1 + c}{a^2 + b^2}\)이다. 그러면 \(PH = |t|\sqrt{a^2 + b^2}\)이다.

정리 1.3.1 점과 직선 사이의 거리

점 \(P(x_1, y_1)\)과 직선 \(ax + by + c = 0\) 사이의 거리는 \[d = \frac{|ax_1 + by_1 + c|}{\sqrt{a^2 + b^2}}\]

공식의 분자는 점의 좌표를 직선의 식에 넣은 값이다. \(P\)가 직선 위에 있으면 이 값은 0이고, 직선에서 멀어질수록 커진다. 분모는 직선의 식을 몇 배로 쓰든 거리가 같게 맞추어 준다. 가령 \(6x + 8y - 24 = 0\)으로 써도 분자와 분모가 함께 두 배가 되어 거리는 그대로이다.

Pax + by + c = 0ax + by + c′ = 0
그림 2. 평행한 두 직선 사이의 거리는 한 직선 위의 아무 점에서 다른 직선까지의 거리이다.

그림 2처럼 평행한 두 직선 사이의 거리도 이 공식으로 구한다. 두 직선이 평행하면 한 직선 위의 어느 점을 골라도 다른 직선까지의 거리가 같기 때문이다.

1.3.3예제 풀이

예제 1.3.2

처음 질문의 마을 \(P(5, 4)\)에서 둑 \(3x + 4y - 12 = 0\)까지의 거리를 공식으로 구하고, 2에서 구한 \(H\)로 확인하여라. 또 세 점 \(A(0, 3)\), \(B(4, 0)\), \(P(5, 4)\)를 꼭짓점으로 하는 삼각형의 넓이를 구하여라.

공식에 넣으면 \(d = \dfrac{|3 \cdot 5 + 4 \cdot 4 - 12|}{\sqrt{9 + 16}} = \dfrac{19}{5}\)이다. 2에서 구한 \(H\)로 확인하면 \(PH = \sqrt{\left(\tfrac{57}{25}\right)^2 + \left(\tfrac{76}{25}\right)^2} = \tfrac{19}{25}\sqrt{3^2 + 4^2} = \tfrac{19}{5}\)로 같다. 여기서 \(57 = 19 \times 3\), \(76 = 19 \times 4\)로 묶이는 것은 선분 \(PH\)가 수선의 방향 \((3, 4)\)를 따라 나 있기 때문이다.

삼각형의 넓이는 밑변을 \(AB\)로 잡으면 쉽다. \(A\)와 \(B\)는 둑 위의 점이므로 \(AB = \sqrt{16 + 9} = 5\)이고, 높이는 방금 구한 \(\tfrac{19}{5}\)이다. 따라서 넓이는 \(\tfrac{1}{2} \times 5 \times \tfrac{19}{5} = \tfrac{19}{2}\)이다. 아래 탐구 카드에서 점과 직선을 움직이며 가장 짧은 길과 넓이가 어떻게 변하는지 직접 확인해 보자.

  1. 직선 \(ax + by + c = 0\)의 기울기는 \(-\tfrac{a}{b}\)이고, 방향 \((a, b)\)의 기울기는 \(\tfrac{b}{a}\)이다. 두 기울기의 곱이 \(-1\)이므로 \((a, b)\)는 직선에 수직인 방향이다.
마무리

점에서 직선까지 가장 짧은 길은 직선에 수직인 길이고, 그 길이를 문자로 끝까지 계산하면 \(\tfrac{|ax_1 + by_1 + c|}{\sqrt{a^2 + b^2}}\)라는 공식이 된다. 처음 질문의 마을에서 둑까지 가장 짧은 길은 수선의 발 \(\left(\tfrac{68}{25}, \tfrac{24}{25}\right)\)로 가는 길이고, 길이는 \(\tfrac{19}{5}\)이다.

탐구 1

점에서 직선까지 가장 짧은 길은 어디일까?

점과 직선 사이의 거리 · 수선의 발

—

\(PQ\)
—
\(PH\) (수선)
—
공식으로 구한 거리
—

점 \(P\)를 끌어 옮기고, 직선 위의 점 \(Q\)를 끌어 \(PQ\)가 가장 짧아지는 곳을 찾을 수 있다.

  1. 질문강가의 곧은 둑에서 떨어진 마을 \(P\)가 있다. \(P\)에서 둑까지 가장 짧은 길을 내려면 둑의 어느 지점으로 가야 하고, 그 길이는 얼마일까?
  2. 복원직각삼각형에서 빗변은 다른 두 변보다 길다. 또 직선 \(ax + by + c = 0\)의 기울기는 \(-\frac{a}{b}\)이고, 수직인 직선의 기울기는 \(\frac{b}{a}\)이다.
  3. 설명점 \(P\)에서 직선에 내린 수선의 발을 \(H\)라 하면, 직선 위의 다른 점 \(Q\)에 대해 삼각형 \(PHQ\)는 \(H\)에서 직각이므로 빗변 \(PQ\)가 \(PH\)보다 길다. 그래서 점과 직선 사이의 거리는 \(PH\)이다. 이제 이 길이를 구해 보자. 방향 \((a, b)\)는 기울기가 \(\frac{b}{a}\)이므로 직선에 수직이고, 그래서 \(H = (x_1 - at, y_1 - bt)\)로 놓을 수 있다. 이것을 직선의 방정식에 넣으면 \(t = \frac{ax_1 + by_1 + c}{a^2 + b^2}\)이고, \(PH = |t|\sqrt{a^2 + b^2}\)이므로 \(PH = |ax_1 + by_1 + c| / \sqrt{a^2 + b^2}\)이다. 단, \(a, b\)가 동시에 0은 아니다.
  4. 연결분자 \(ax_1 + by_1 + c\)는 점 \(P\)를 직선의 식에 넣은 값이다. 그래서 \(P\)가 직선 위에 있으면 0이고, 직선에서 멀어질수록 커진다. 이 거리를 원의 반지름과 비교하면 원과 직선의 위치 관계를 판단할 수 있고, 평행한 두 직선 사이의 거리는 한 직선 위의 아무 점에서 다른 직선까지의 거리이다.
  5. 적용\(Q\)를 끌어 \(PQ\)가 가장 작아지는 곳을 찾고, 그때 \(PQ\)가 \(PH\)와 공식의 값과 같은지 보자. \(P\)를 직선 위로 옮기면 거리는 0이 된다. 또 \(a, b, c\)를 모두 2배로 해도 분자와 분모가 함께 2배가 되어 거리는 그대로이다.
  6. 판단공식에 넣기 전에 직선을 반드시 \(ax + by + c = 0\) 꼴로 바꾼다. 예를 들어 \(y = 2x + 1\)이면 \(2x - y + 1 = 0\)이므로 \(b = -1\)이다. 분자의 절댓값과 분모의 제곱근을 빠뜨리는 실수도 흔한데, 거리는 음수가 될 수 없다.

확인조건이 달라지면

점 \((1, -2)\)와 직선 \(y = 2x + 1\) 사이의 거리는?

탐구 2

꼭짓점의 좌표만으로 삼각형의 넓이를 구할 수 있을까?

점과 직선 사이의 거리 · 삼각형의 넓이

—

밑변 \(BC\)
—
높이 \(h\)
—
넓이
—

세 꼭짓점을 끌 수 있다. 높이는 \(A\)에서 직선 \(BC\)까지의 거리이다.

  1. 질문세 꼭짓점이 \(A(-1, 4), B(-3, -2), C(4, 0)\)인 삼각형은 어느 변도 축에 평행하지 않다. 밑변과 높이를 자로 재지 않고 넓이를 구할 수 있을까?
  2. 복원삼각형의 넓이는 \((\frac{1}{2}) \times\) 밑변 \(\times\) 높이이다. 그래서 두 점 사이의 거리 공식, 두 점을 지나는 직선의 방정식, 점과 직선 사이의 거리 공식이 필요하다.
  3. 설명밑변을 \(BC\)로 잡으면 \(BC\)의 길이는 두 점 사이의 거리이다. 높이는 꼭짓점 \(A\)에서 직선 \(BC\)에 내린 수선의 길이이므로 점과 직선 사이의 거리이다. 먼저 두 점 \(B, C\)를 지나는 직선을 \(ax + by + c = 0\) 꼴로 구하고, \(A\)를 넣어 높이 \(h = \frac{|ax_1 + by_1 + c|}{\sqrt{a^2 + b^2}}\)를 얻는다. 그러면 넓이는 \((\frac{1}{2}) \times BC \times h\)이다. 계산해 보면 \(BC\)와 \(h\)에 들어 있는 제곱근이 서로 지워져 넓이가 정수나 분수로 나온다.
  4. 연결이 방법은 좌표평면의 어떤 다각형이든 삼각형으로 나누어 넓이를 구하는 데 쓸 수 있다. 같은 생각을 원과 직선에 적용하면, 원의 중심에서 직선까지의 거리로 현의 길이나 위치 관계를 구할 수 있다.
  5. 적용\(B(-3, -2), C(4, 0)\)을 그대로 두고 \(A\)만 \(BC\) 방향 \((7, 2)\)만큼 움직여 \((6, 6)\)으로 옮겨 보자. 높이가 그대로라서 넓이가 변하지 않는다. \(A\)를 직선 \(BC\) 위에 올리면 넓이는 0이 되고, 둔각삼각형을 만들면 높이의 발이 변 \(BC\) 밖으로 나가는 것도 볼 수 있다.
  6. 판단높이는 변 \(BC\)까지의 거리가 아니라 변을 늘인 직선 \(BC\)까지의 거리이므로, 둔각삼각형에서는 수선의 발이 선분 밖에 떨어진다. 또 \(A\)가 \(BC\)에 평행한 직선 위를 움직이면 높이가 그대로이므로 넓이도 변하지 않는다. 그래서 모양이 달라도 넓이가 같을 수 있다.

확인조건이 달라지면

세 점 \(A(1, 5), B(0, 0), C(4, 2)\)를 꼭짓점으로 하는 삼각형의 넓이는?

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