나뭇잎 교과서

코시컨트·시컨트·코탄젠트함수

사인, 코사인, 탄젠트의 역수에도 이름이 있습니다. \(\csc x = \frac{1}{\sin x}\), \(\sec x = \frac{1}{\cos x}\), \(\cot x = \frac{1}{\tan x}\)입니다. 이 세 함수는 단위원에 그은 접선의 길이로 볼 수도 있습니다. 이 절에서는 원 위의 점을 움직이며 세 길이가 어떻게 늘고 줄어드는지 보고, 사인 그래프만 보고 코시컨트 그래프를 먼저 예측해 그린 뒤 확인합니다. 분모가 0이 되는 곳에서 그래프가 어떻게 되는지가 핵심입니다.

본문

코시컨트·시컨트·코탄젠트함수

본문

단위원 위의 점 \(P\)에서 원에 접하는 직선을 그었다. 이 접선은 \(x\)축과 \(y\)축을 각각 한 점에서 만난다. 동경 \(OP\)가 \(x\)축과 이루는 각이 \(\theta\)일 때, 원점에서 \(x\)축과의 교점까지의 거리, 원점에서 \(y\)축과의 교점까지의 거리, 그리고 \(P\)에서 두 교점까지의 접선의 길이를 재면 모두 \(\theta\)의 함수가 된다. 이 길이들은 사인, 코사인, 탄젠트와 어떤 관계가 있을까? \(\theta\)가 0에 가까워지면 어떤 길이가 끝없이 길어질까?

P sec θcsc θ tan θcot θ θ OP = 1, P에서 그은 접선 x축과 만나는 점까지 OX = sec θ y축과 만나는 점까지 OY = csc θ
그림 1. \(\theta = 30°\)일 때의 그림이다. 접선과 두 축이 만드는 직각삼각형들에서 여섯 삼각함수가 모두 길이로 나타난다.
먼저 알아야 할 것삼각함수의 정의와 그래프, 라디안, 함수의 극한과 점근선.

1.2.1역수에 붙인 이름

사인, 코사인, 탄젠트의 역수를 각각 코시컨트, 시컨트, 코탄젠트라 하고 \(\csc\theta = 1/\sin\theta\), \(\sec\theta = 1/\cos\theta\), \(\cot\theta = 1/\tan\theta\)로 쓴다. 그림 1에서 직각삼각형 \(OPX\)는 \(\angle OPX\)가 직각이고 \(OP = 1\)이므로, \(\cos\theta = OP/OX\)에서 \(OX = \sec\theta\), \(\tan\theta = PX/OP\)에서 \(PX = \tan\theta\)이다. 같은 방법으로 직각삼각형 \(OPY\)에서 \(OY = \csc\theta\), \(PY = \cot\theta\)이다. 그래서 이 이름들은 원래 단위원의 접선(tangent)과 할선(secant)의 길이에서 왔다.

정리 1.2.1 역수 삼각함수의 관계

\(\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1\)의 양변을 \(\cos^2\theta\), \(\sin^2\theta\)로 나누면 \[1 + \tan^2\theta = \sec^2\theta,\qquad 1 + \cot^2\theta = \csc^2\theta\]이다. 그림 1의 직각삼각형 \(OPX\)에서 피타고라스 정리를 쓴 것과 같다.

역수 함수는 원래 함수가 0이 되는 곳에서 정의되지 않는다. \(\sin\theta\)가 0에 가까워지면 \(\csc\theta\)의 절댓값은 끝없이 커지고, 그래서 \(\theta = n\pi\)에서 그래프는 세로 점근선을 가진다. 그림 1에서 보면 \(\theta\)가 0에 가까워질 때 접선이 \(y\)축과 거의 나란해져 \(y\)축과 만나는 점이 끝없이 멀어지는 것이다. 반대로 \(\sin\theta\)가 가장 큰 \(\theta = \pi/2\)에서 \(\csc\theta\)는 가장 작은 값 1을 가진다.1

1.2.2사인 그래프에서 코시컨트 그래프로

코시컨트 그래프는 사인 그래프만 보고 그릴 수 있다. 사인값이 1이나 \(-1\)인 곳에서는 역수도 1이나 \(-1\)이어서 두 그래프가 만나고, 사인값이 0에 가까워지는 곳에서는 역수가 끝없이 커진다. 사인값이 양수인 구간에서는 코시컨트도 양수여서 위로 열린 U자 모양이, 음수인 구간에서는 아래로 열린 모양이 된다. 그래서 코시컨트 그래프는 사인 곡선의 봉우리마다 그 위에 얹힌 U자들이 점근선 사이에 줄지어 놓인 모양이고, 주기는 사인과 같은 \(2\pi\)이다.

θπ/6π/4π/3π/2 csc θ2√22/√31 sec θ2/√3√22정의 안 됨 cot θ√311/√30
그림 2. \(\theta = \pi/2\)에서 코사인이 0이 되므로 시컨트는 정의되지 않고 그래프에 점근선이 생긴다.

1.2.3예제 풀이

예제 1.2.2

그림 1에서 \(\theta = \pi/6\)일 때 \(OX\), \(OY\), \(PX\), \(PY\)의 길이를 구하고, \(PX + PY\)가 \(XY\)와 같음을 확인하여라. \(\theta \to 0+\)일 때 \(\csc\theta\)와 \(\cot\theta\)의 차는 어떻게 되는가?

\(\sin(\pi/6) = 1/2\), \(\cos(\pi/6) = \sqrt3/2\)이므로 \(OX = \sec(\pi/6) = 2/\sqrt3 \approx 1.155\), \(OY = \csc(\pi/6) = 2\), \(PX = \tan(\pi/6) = 1/\sqrt3 \approx 0.577\), \(PY = \cot(\pi/6) = \sqrt3 \approx 1.732\)이다. \(PX + PY \approx 2.309\)이고, 직각삼각형 \(XOY\)에서 \(XY = \sqrt{OX^2 + OY^2} = \sqrt{4/3 + 4} = 4/\sqrt3 \approx 2.309\)로 같다.

\(\csc\theta - \cot\theta = \dfrac{1 - \cos\theta}{\sin\theta}\)이고, 분자와 분모에 \(1 + \cos\theta\)를 곱하면 \(\dfrac{\sin\theta}{1 + \cos\theta}\)이다. \(\theta \to 0+\)이면 이 값은 \(0/2 = 0\)으로 간다. 그래서 \(\csc\theta\)와 \(\cot\theta\)는 둘 다 끝없이 커지지만 그 차는 0으로 줄어든다. 그림 1에서 \(OY\)와 \(PY\)가 함께 길어지면서 \(O\)와 \(P\)가 \(Y\)에서 보기에 거의 같은 거리가 되는 것이다. 즉 역수 삼각함수는 단위원의 접선과 할선의 길이로 볼 수 있고, 그 그림에서 항등식과 극한의 모습을 함께 읽을 수 있다.

아래 탐구 카드에서 단위원 위의 점을 움직이며 접선이 만드는 길이를 관찰하고, 사인 그래프만 보고 코시컨트 그래프를 예측해 그려 보자.

  1. 컴퓨터가 없던 시절 항해사들은 시컨트와 코시컨트의 표를 함께 실은 책을 들고 다녔다. 메르카토르 지도에서 위도 \(\varphi\)인 곳의 세로 위치는 \(\sec\)를 적분한 값이어서, 지도를 그리는 데 시컨트의 표가 꼭 필요했다.
마무리

코시컨트, 시컨트, 코탄젠트는 사인, 코사인, 탄젠트의 역수이며, 단위원 위의 점에서 그은 접선이 두 축과 만나는 점까지의 거리와 접선의 길이로 나타난다. 피타고라스 정리에서 \(1 + \tan^2\theta = \sec^2\theta\), \(1 + \cot^2\theta = \csc^2\theta\)가 나오고, 원래 함수가 0인 곳에서 그래프는 점근선을 가진다. 처음 질문의 접선에서 \(OX = \sec\theta\), \(OY = \csc\theta\), 접선의 두 부분은 \(\tan\theta\)와 \(\cot\theta\)이며, \(\theta \to 0+\)이면 \(\csc\theta\)와 \(\cot\theta\)가 끝없이 길어진다.

탐구 1

단위원에 접선 하나를 그으면 삼각함수 몇 개가 보일까?

sec · csc · cot · 조작
\(\sec\theta = \frac{1}{\cos\theta}\)
—
\(\csc\theta = \frac{1}{\sin\theta}\)
—
\(\tan\theta\)
—
\(\cot\theta = \frac{1}{\tan\theta}\)
—

원 위의 점 P를 끌어도 된다. 접선이 x축과 만나는 점 S까지의 거리 OS가 \(\sec\theta\), y축과 만나는 점 T까지의 거리 OT가 \(\csc\theta\)이다. 부호는 좌표의 부호를 따른다.

  1. 질문탄젠트에는 "접선"이라는 이름이 붙어 있고, 시컨트는 "할선"이라는 뜻이다. 삼각함수의 이름이 왜 선의 이름일까?
  2. 복원단위원 위의 점 \(\mathrm{P}(\cos\theta, \sin\theta)\)에서 원에 그은 접선은 반지름 OP와 수직이다. 닮은 직각삼각형의 대응하는 변의 길이의 비는 같다.
  3. 설명P에서 그은 접선이 x축과 만나는 점을 S, y축과 만나는 점을 T라고 하자. 직각삼각형 OPS에서 \(\cos\theta = \frac{\overline{\mathrm{OP}}}{\overline{\mathrm{OS}}} = \frac{1}{\overline{\mathrm{OS}}}\)이므로 \(\overline{\mathrm{OS}} = \sec\theta\), \(\overline{\mathrm{PS}} = \tan\theta\)이다. 같은 방법으로 삼각형 OPT에서 \(\overline{\mathrm{OT}} = \csc\theta\), \(\overline{\mathrm{PT}} = \cot\theta\)이다. 시컨트(secant)는 원을 뚫고 지나가는 선 OS의 길이, 탄젠트(tangent)는 접선 PS의 길이였던 것이다. 또 피타고라스 정리에서 \(1 + \tan^2\theta = \sec^2\theta\), \(1 + \cot^2\theta = \csc^2\theta\)가 바로 나온다.
  4. 연결\(\sec\theta\)가 한없이 커지는 곳은 접선이 x축과 나란해지는 곳, 곧 \(\cos\theta = 0\)인 곳이다. 그래프에서는 이곳이 점근선이 된다. 이 관계식들은 다음 절들에서 미분과 적분을 할 때 계속 쓰인다.
  5. 적용P를 한 바퀴 돌리며 오른쪽 그래프의 점이 어떻게 움직이는지 보자. \(\theta\)가 \(90^\circ\)에 다가갈 때 S는 어디로 가는가? \(\sec\theta\)는 왜 −1과 1 사이의 값을 가질 수 없을까?
  6. 판단\(\sec x\)를 \(\cos^{-1} x\)로 쓰면 안 된다. \(\cos^{-1} x\)는 다음 절의 역함수 \(\arccos x\)를 뜻한다. 역수는 \((\cos x)^{-1}\)로 괄호를 쳐서 구분한다.

확인조건이 달라지면

\(\theta\)가 제2사분면의 각이고 \(\tan\theta = -\frac{3}{4}\)일 때 \(\sec\theta\)의 값은?

탐구 2

사인 그래프만 보고 코시컨트 그래프를 그릴 수 있을까?

역수 함수의 그래프 · 예측 → 확인

1) 점 여덟 개를 끌어 역수의 값을 예측하세요. 2) 점근선이 생길 곳을 모두 고르세요.

역수는 "1을 그 값으로 나눈 것"이다. 원래 값이 1이면 역수도 1, 원래 값이 \(\frac{1}{2}\)이면 역수는 2이다.

  1. 질문\(y = \csc x\)의 식을 계산기에 넣지 않고, \(y = \sin x\)의 그래프만 보고 모양을 그릴 수 있을까? 어디가 높고 어디가 낮으며, 어디에서 끊어질까?
  2. 복원\(\csc x = \frac{1}{\sin x}\)이다. 양수의 역수는 양수, 음수의 역수는 음수이고, 0에 가까운 수의 역수는 절댓값이 아주 크다.
  3. 설명역수 그래프는 원래 그래프에서 네 가지만 읽으면 그릴 수 있다. ① 원래 값이 \(\pm 1\)인 곳은 역수도 \(\pm 1\)이고, 이곳에서 두 그래프가 만난다. ② 원래 값의 절댓값이 작을수록 역수의 절댓값은 크다. ③ 원래 값이 0인 곳에서는 역수가 정의되지 않고, 근처에서 한없이 커지거나 작아지므로 점근선이 생긴다. ④ 부호는 그대로이다. 그래서 \(\csc x\)는 사인의 꼭대기 \(x = \frac{\pi}{2}\)에서 가장 낮은 1이 되는 U자 모양이고, 치역은 \(y \le -1\) 또는 \(y \ge 1\)이다.
  4. 연결같은 방법으로 \(\cot x = \frac{1}{\tan x}\)도 그릴 수 있다. \(\tan x\)가 0인 곳은 \(\cot x\)의 점근선이 되고, \(\tan x\)의 점근선은 \(\cot x\)가 0이 되는 곳이다. 역수 그래프를 그리는 이 방법은 유리함수의 그래프에서도 그대로 쓰인다.
  5. 적용사인 그래프를 보며 점 여덟 개를 예측한 위치로 끌고, 점근선 자리를 고른 뒤 정답과 겹쳐 보자. 오차가 큰 점은 원래 값이 0에 가까운 곳인가요, 1에 가까운 곳인가? 같은 일을 \(\cos x\) → \(\sec x\)로도 해 보자.
  6. 판단역수 그래프를 "원래 그래프를 위아래로 뒤집은 것"으로 생각하기 쉽다. 뒤집으면 \(-\sin x\)가 되어 부호가 바뀌지만, 역수는 부호를 바꾸지 않는다. 바뀌는 것은 "작은 값 ↔ 큰 값"의 관계이다.

확인조건이 달라지면

\(y = \cot x\)의 그래프가 \(0 < x < \pi\)에서 x축과 만나는 점은?

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