나뭇잎 교과서

대칭이동

거울에 비친 모습처럼 도형을 한 직선이나 한 점을 기준으로 뒤집어 옮기는 것을 대칭이동이라고 합니다. 이 절에서는 원점, \(x\)축, \(y\)축, 직선 \(y = x\)에 대해 점과 도형을 대칭이동하고, 좌표와 방정식이 어떻게 바뀌는지 찾습니다. 그리고 대칭이동으로 가장 짧은 길을 찾는 문제를 풉니다.

본문

대칭이동

본문

집 \(A(1, 3)\)에서 출발해 \(x\)축인 강가에 들러 물을 긷고 학교 \(B(5, 1)\)로 가려 한다. 강가의 어느 지점에 들러야 가장 짧게 걸을 수 있을까? 거울에 비친 점을 쓰면 이 문제가 직선 하나로 바뀐다는데, 어떻게 그럴까?

그림 1. \(AP\)와 \(A'P\)는 길이가 같으므로, \(AP + PB\)는 \(A'\)에서 \(B\)까지 꺾인 길의 길이이고 \(P\)가 선분 \(A'B\) 위에 올 때 가장 짧다.
먼저 알아야 할 것선분의 중점(선분의 내분점), 두 직선의 수직 조건(두 직선의 평행과 수직), 평행이동한 도형의 방정식(평행이동).

1.7.1축과 원점에 대한 대칭

점 \((1, 3)\)을 \(x\)축을 거울 삼아 비추면 \(x\)좌표는 그대로이고 \(y\)좌표만 부호가 바뀐 \((1, -3)\)이 된다. 이렇게 한 점이나 직선을 기준으로 뒤집어 옮기는 것을 대칭이동이라 한다. 기준이 \(y\)축이면 \(x\)좌표의 부호가, 원점이면 두 좌표의 부호가 모두 바뀐다.

직선 \(y = x\)에 대한 대칭은 조금 다르다. 점 \((1, 3)\)을 이 직선에 비추면 \((3, 1)\)이 된다. 두 점의 중점 \((2, 2)\)가 직선 \(y = x\) 위에 있고, 두 점을 잇는 선분의 기울기가 \(-1\)이라 직선에 수직이기 때문이다. 즉 \(y = x\)에 대한 대칭은 \(x\)좌표와 \(y\)좌표를 맞바꾼다.

정리 1.7.1 점과 도형의 대칭이동
기준점 \((x, y)\)가 옮겨 가는 곳도형 \(f(x, y) = 0\)의 새 방정식
\(x\)축\((x, -y)\)\(f(x, -y) = 0\)
\(y\)축\((-x, y)\)\(f(-x, y) = 0\)
원점\((-x, -y)\)\(f(-x, -y) = 0\)
직선 \(y = x\)\((y, x)\)\(f(y, x) = 0\)

도형의 방정식은 평행이동에서처럼 새 점을 되돌려 원래 식에 넣어 얻는다. 그런데 대칭이동은 두 번 하면 제자리로 돌아오므로, 되돌리는 것과 옮기는 것이 같은 일이다. 그래서 점의 규칙과 식의 규칙이 똑같은 꼴이 된다.1

1.7.2대칭을 이용한 가장 짧은 길

이제 처음 질문으로 가자. 강가의 점을 \(P\)라 하면 걷는 길이는 \(AP + PB\)이다. \(A\)를 \(x\)축에 대칭이동한 점 \(A'(1, -3)\)을 잡으면, \(x\)축은 선분 \(AA'\)의 수직이등분선이므로 \(AP = A'P\)이다. 따라서 \(AP + PB = A'P + PB\)이다.

\(A'\)에서 \(P\)를 거쳐 \(B\)로 가는 길은 \(P\)가 선분 \(A'B\) 위에 있을 때 곧은 선분이 되어 가장 짧다. 그림 1의 슬라이더를 움직이면, 길이가 가장 작아지는 순간 \(A'\), \(P\), \(B\)가 한 직선 위에 놓인다.

(1, 3) x축 (1, −3) y축 (−1, 3) 원점 (−1, −3) y = x (3, 1)
그림 2. 같은 점을 네 가지 기준으로 대칭이동하면 좌표의 부호가 바뀌거나 두 좌표가 자리를 바꾼다.

1.7.3예제 풀이

예제 1.7.2

처음 질문에서 걷는 길이가 가장 짧아지는 강가의 점 \(P\)와 그때의 길이를 구하여라.

\(A'(1, -3)\)과 \(B(5, 1)\)을 지나는 직선의 기울기는 \(\dfrac{1 - (-3)}{5 - 1} = 1\)이므로 직선은 \(y = x - 4\)이다. 이 직선이 \(x\)축과 만나는 점은 \(y = 0\)에서 \(x = 4\)이므로 \(P(4, 0)\)이다.

가장 짧은 길이는 \(A'B = \sqrt{4^2 + 4^2} = 4\sqrt{2}\)이다. 확인해 보자. \(AP = \sqrt{3^2 + 3^2} = 3\sqrt{2}\), \(PB = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2}\)이므로 합은 \(4\sqrt{2}\)로 같다.

\(P(4, 0)\)에서 \(A\)로 가는 선분과 \(B\)로 가는 선분이 \(x\)축과 이루는 각도 같다. 빛이 거울에서 반사할 때 들어오는 각과 나가는 각이 같은 것과 같은 모습이다. 아래 탐구 카드에서 점과 그래프를 여러 기준으로 비추어 보고, 가장 짧은 길을 직접 찾아보자.

  1. 직선 \(y = -x\)에 대한 대칭이동은 \((x, y) \to (-y, -x)\)이고, 도형의 방정식은 \(f(-y, -x) = 0\)이다. 점 \((a, b)\)에 대한 대칭이동은 \((x, y) \to (2a - x, 2b - y)\)이다.
마무리

대칭이동은 기준에 따라 좌표의 부호를 바꾸거나 두 좌표를 맞바꾸며, 두 번 하면 제자리로 오므로 점의 규칙을 그대로 도형의 방정식에 쓸 수 있다. 처음 질문은 \(A\)를 \(x\)축에 비춘 \(A'\)과 \(B\)를 곧게 이어 풀리고, 강가의 \(P(4, 0)\)에 들르면 길이가 \(4\sqrt{2}\)로 가장 짧다.

탐구 1

거울에 비친 점의 좌표는 어떻게 될까?

대칭이동 · 점의 좌표

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점 \(P\)
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대칭점 \(P'\)
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\(PP'\)의 중점
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깃대 아래 끝 \(P\)를 끌 수 있다. 깃발이 가리키는 방향이 어떻게 바뀌는지도 함께 보자.

  1. 질문점 \((3, 1)\)을 \(x\)축을 거울 삼아 비추면 \((3, -1)\)이다. 그렇다면 직선 \(y = x\)를 거울 삼으면 어디에 비칠까? 원점을 기준으로 하면 어떨까?
  2. 복원두 점 \(P, P'\)이 직선 \(\ell\)에 대해 대칭이면 \(\ell\)은 선분 \(PP'\)의 수직이등분선이다. 곧 \(PP'\)의 중점이 \(\ell\) 위에 있고, \(PP'\)은 \(\ell\)과 수직이다. 또 두 점이 점 \(M\)에 대해 대칭이면 \(M\)은 \(PP'\)의 중점이다.
  3. 설명이 성질로 점 \(P(x, y)\)를 대칭이동하면, \(x\)축에 대해서는 \((x, -y)\), \(y\)축에 대해서는 \((-x, y)\), 원점에 대해서는 \((-x, -y)\), 직선 \(y = x\)에 대해서는 \((y, x)\)가 된다. 마지막 경우는 \(P'(y, x)\)로 놓고 확인할 수 있다. 중점 \((\frac{x + y}{2}, \frac{x + y}{2})\)는 \(y = x\) 위에 있고, \(PP'\)의 기울기 \(\frac{x - y}{y - x} = -1\)은 \(y = x\)의 기울기 1과 곱해 \(-1\)이므로 수직이다. 대칭이동을 해도 길이, 각의 크기, 넓이는 그대로이다.
  4. 연결직선 \(y = x\)에 대한 대칭은 \(x\)와 \(y\)의 역할을 바꾸는 이동이어서, 나중에 함수와 그 역함수의 그래프 사이의 관계로 이어진다. 또 원점에 대한 대칭은 \(x\)축 대칭과 \(y\)축 대칭을 차례로 한 것과 같다.
  5. 적용네 가지 기준을 차례로 고르며 \(P'\)의 좌표 규칙을 확인해 보자. \(P\)를 대칭축 위에 올리면 \(P'\)이 \(P\)와 겹친다. 원점 대칭에서는 깃발이 뒤집히지 않고 반 바퀴 돌기만 하는데, \(x\)축 대칭에서는 깃발이 뒤집히는 것과 비교해 보자.
  6. 판단원점에 대한 대칭은 직선을 거울로 삼는 이동이 아니라, 원점을 중심으로 \(180^\circ\) 돌린 것과 같다. 그래서 깃발의 모양이 뒤집히지 않는다. 또 \(x\)축 대칭에서 \(x\)좌표의 부호까지 바꾸는 실수, 직선 \(y = x\) 대칭에서 좌표를 바꾸면서 부호도 바꾸는 실수가 흔하다. 부호까지 바꾼 \((-y, -x)\)는 직선 \(y = -x\)에 대한 대칭이다.

확인조건이 달라지면

점 \((3, -5)\)를 직선 \(y = x\)에 대해 대칭이동한 뒤, 다시 \(x\)축에 대해 대칭이동한 점은?

탐구 2

대칭이동한 도형의 방정식은 어떻게 구할까?

대칭이동 · 도형의 방정식

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원래 도형 위의 \(Q\)
—
대칭점 \(Q'\)
—
\(Q'\)을 새 식에 넣으면
—

원래 도형 위의 점 \(Q\)를 도형을 따라 끌 수 있다.

  1. 질문원 \((x - 3)^2 + (y - 1)^2 = 4\)를 \(x\)축에 대해 뒤집으면 중심이 \((3, -1)\)인 원이 된다. 식을 어떻게 바꾸면 이 결과가 바로 나올까? 직선 \(y = x\)에 대해 뒤집으면 어떨까?
  2. 복원점을 대칭이동하면 \(x\)축에 대해서는 \((x, -y)\), \(y\)축에 대해서는 \((-x, y)\), 원점에 대해서는 \((-x, -y)\), 직선 \(y = x\)에 대해서는 \((y, x)\)가 된다. 또 평행이동에서는 옮긴 점에서 거꾸로 원래 점으로 돌아가 원래 식에 넣었다.
  3. 설명같은 생각을 대칭이동에도 쓴다. 대칭이동한 도형 위의 점 \((x, y)\)를 다시 같은 기준으로 대칭이동하면 원래 도형 위의 점이 되는데, 대칭이동은 두 번 하면 제자리이기 때문이다. 그래서 방정식 \(f(x, y) = 0\)이 나타내는 도형을 대칭이동한 도형의 방정식은 \(x\)축에 대해서는 \(f(x, -y) = 0\), \(y\)축에 대해서는 \(f(-x, y) = 0\), 원점에 대해서는 \(f(-x, -y) = 0\), 직선 \(y = x\)에 대해서는 \(f(y, x) = 0\)이다. 점의 규칙과 같은 꼴로 바꾸면 되므로 평행이동보다 헷갈릴 일이 적다.
  4. 연결\(y\)축 대칭으로 식이 바뀌지 않는 \(y = x^2\) 같은 도형은 \(y\)축에 대해 대칭이고, 원점 대칭으로 바뀌지 않는 \(y = x^3\) 같은 도형은 원점에 대해 대칭이다. 이 생각은 함수의 그래프 모양을 판단할 때 다시 쓰인다. 또 평행이동과 대칭이동을 차례로 하는 문제는 한 단계씩 식을 바꾸면 된다.
  5. 적용원을 고르고 네 기준을 차례로 눌러 새 식의 중심이 어디로 가는지 보자. 포물선을 \(x\)축에 대해 대칭이동하면 볼록한 방향이 뒤집힌다. 직선을 \(y = x\)에 대해 대칭이동하면 새 기울기가 원래 기울기의 역수가 되는 것도 확인해 보자.
  6. 판단\(x\)축 대칭에서는 \(y\)만 \(-y\)로 바꾼다. 그래서 \(y = 2x - 3\)은 \(-y = 2x - 3\)이 되고, 정리하면 \(y = -2x + 3\)이다. 우변의 부호만 바꾸거나 좌변만 바꾸고 정리를 빠뜨리는 실수가 흔하다. 또 직선 \(y = x\) 대칭은 \(x\)와 \(y\)를 맞바꾸는 것이지, 부호를 바꾸는 것이 아니다.

확인조건이 달라지면

원 \((x + 1)^2 + (y - 4)^2 = 9\)를 원점에 대해 대칭이동한 뒤, 다시 직선 \(y = x\)에 대해 대칭이동한 원의 중심은?

탐구 3

강가에 들렀다 가는 가장 짧은 길은 어디일까?

대칭이동 · 실생활 최단 경로

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\(AP + PB\)
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\(A'B\) (최솟값)
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차이
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강가의 점 \(P\)를 끌어 \(AP + PB\)가 가장 작아지는 곳을 찾을 수 있고, \(A, B\)도 끌 수 있다. 거리의 단위는 km로 보는 모식이다.

  1. 질문집 \(A\)에서 출발해 곧은 강가에 들러 물을 긷고 밭 \(B\)로 가려고 한다. 두 곳은 강의 같은 쪽에 있다. 강가의 어느 지점에 들러야 걷는 거리가 가장 짧을까?
  2. 복원\(x\)축에 대한 대칭이동은 \((x, y) \to (x, -y)\)이고, \(x\)축은 선분 \(AA'\)의 수직이등분선이다. 또 삼각형에서 두 변의 길이의 합은 나머지 한 변보다 길고, 두 점을 잇는 가장 짧은 길은 선분이다.
  3. 설명강가를 \(x\)축으로 두고, \(A\)를 \(x\)축에 대해 대칭이동한 점을 \(A'\)이라 하자. 강가 위의 점 \(P\)는 수직이등분선 위에 있으므로 \(AP = A'P\)이다. 그래서 \(AP + PB = A'P + PB \ge A'B\)이고, 등호는 \(P\)가 선분 \(A'B\) 위에 있을 때, 곧 \(A'B\)가 \(x\)축과 만나는 점일 때 성립한다. \(A(x_1, y_1), B(x_2, y_2)\)이면 최솟값은 \(A'B = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 + y_1)^2}\)이고, 그 점은 \(A'B\)를 \(y_1 : y_2\)로 내분하는 점이므로 \(P(\frac{x_1y_2 + x_2y_1}{y_1 + y_2}, 0)\)이다.
  4. 연결빛이 거울에서 반사할 때 입사각과 반사각이 같은 것도, 빛이 가장 짧은 시간이 걸리는 길로 가기 때문이다(페르마의 원리). 당구공을 쿠션에 한 번 맞혀 목표 공에 보낼 때도 같은 방법으로 겨냥점을 찾는다.
  5. 적용\(P\)를 끌어 \(AP + PB\)가 가장 작아지는 곳을 찾고, '가장 짧은 지점으로'를 눌러 비교해 보자. '\(A'\) 보기'를 켜면 그 점이 \(A'B\) 위에 있는 것이 보인다. \(A(-3, 2), B(4, 4)\)일 때 최솟값과 \(P\)의 \(x\)좌표도 공식으로 구해 보자.
  6. 판단이 방법은 \(A, B\)가 강의 같은 쪽에 있을 때 쓴다. 반대쪽에 있으면 선분 \(AB\)가 강가와 만나는 점이 바로 답이다. 또 이 모형은 강가를 곧은 직선으로, 땅을 평평한 평면으로 단순화한 것이므로, 실제 길에서는 지형과 장애물을 함께 생각해야 한다.

확인조건이 달라지면

두 점 \(A(1, 3), B(5, 1)\)과 \(x\)축 위의 점 \(P\)에 대해 \(AP + PB\)의 최솟값은?

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