나뭇잎 교과서

위치벡터, 내적과 외적

두 벡터를 곱하는 방법은 두 가지입니다. 내적은 두 벡터가 같은 쪽을 얼마나 향하는지를 수 하나로 알려 주고, 외적은 두 벡터에 모두 수직인 새 벡터를 만들어 그 크기로 평행사변형의 넓이를 알려 줍니다. 이 절에서는 썰매를 끌 때 하는 일로 내적을, 렌치로 볼트를 돌리는 토크로 외적을 체험하고, 컴퓨터 그래픽이 외적으로 면의 방향을 구하고 내적으로 그 면의 밝기를 정하는 과정을 직접 조작해 봅니다.

본문

위치벡터, 내적과 외적

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3D 게임 화면에서 상자의 윗면은 밝고 옆면은 어둡다. 컴퓨터는 각 면이 빛을 얼마나 정면으로 받는지 계산해 밝기를 정한다. 그러려면 먼저 면에 수직인 방향을 알아야 하는데, 면은 꼭짓점 세 개의 좌표로만 주어진다. 꼭짓점 \(A(0, 0, 0)\), \(B(1, 2, 0)\), \(C(0, 1, 3)\)으로 이루어진 삼각형 면에 수직인 방향은 어떻게 구할까? 그리고 빛이 \((0, 0, 1)\) 방향에서 비칠 때 이 면은 얼마나 밝아야 할까?

연산결과크기의 뜻쓰임 내적 a · b수|a||b| cos θ일, 각, 밝기 외적 a × b벡터|a||b| sin θ (넓이)법선, 돌림힘 내적이 0이면 두 벡터는 수직이다. 외적은 두 벡터 모두에 수직이다.
그림 1. 내적은 두 벡터가 같은 방향을 향하는 정도를 수로, 외적은 두 벡터가 만드는 평행사변형을 수직 벡터로 알려 준다.
먼저 알아야 할 것위치벡터, 벡터의 성분(벡터의 연산), 벡터의 내적과 수직 조건, 공간좌표.

2.7.1내적은 같은 방향의 몫이다

두 벡터 \(\vec a\), \(\vec b\)가 이루는 각이 \(\theta\)일 때 \(\vec a\cdot\vec b = |\vec a||\vec b|\cos\theta\)를 내적이라 한다. \(|\vec b|\cos\theta\)는 \(\vec b\)를 \(\vec a\) 방향으로 정사영한 길이이므로, 내적은 한 벡터가 다른 벡터 방향으로 얼마나 향하는지를 나타낸다. 썰매 줄을 비스듬히 당길 때 썰매를 앞으로 끄는 데 쓰인 일이 힘과 이동 거리의 내적인 것이 그 예이다. 성분으로는 \(\vec a\cdot\vec b = a_1b_1 + a_2b_2 + a_3b_3\)이어서 각을 몰라도 계산할 수 있고, 거꾸로 내적으로 두 벡터 사이의 각을 구할 수 있다.

정리 2.7.1 외적

공간벡터 \(\vec a = (a_1, a_2, a_3)\), \(\vec b = (b_1, b_2, b_3)\)의 외적은 \[\vec a\times\vec b = (a_2b_3 - a_3b_2,\ a_3b_1 - a_1b_3,\ a_1b_2 - a_2b_1)\]이다. \(\vec a\times\vec b\)는 \(\vec a\)와 \(\vec b\)에 모두 수직이고, 크기는 두 벡터가 만드는 평행사변형의 넓이 \(|\vec a||\vec b|\sin\theta\)이며, 방향은 오른손 법칙을 따른다.

외적이 두 벡터에 모두 수직인지는 내적으로 확인한다. 성분을 넣어 \(\vec a\cdot(\vec a\times\vec b)\)를 계산하면 모든 항이 지워져 0이 된다. 그래서 면 위의 두 변 벡터의 외적은 그 면의 법선 벡터가 된다. 렌치로 볼트를 돌리는 돌림힘도 렌치의 위치벡터와 힘의 외적으로, 렌치 끝을 렌치와 수직으로 밀 때 가장 크다.1

2.7.2빛을 받는 정도는 내적이다

면이 빛을 받는 밝기는 면의 법선과 빛이 오는 방향이 이루는 각의 코사인에 비례한다. 그래서 두 방향을 길이 1인 단위벡터로 바꾸어 내적하면 그 코사인 값이 바로 나오고, 이를 면의 밝기로 쓴다. 내적이 음수이면 면이 빛을 등지고 있으므로 밝기를 0으로 둔다. 이 방법을 램버트 음영이라 하며, 게임 화면의 수많은 삼각형마다 외적으로 법선을 구하고 내적으로 밝기를 정한다.

양계산값 변 벡터AB = (1, 2, 0), AC = (0, 1, 3) 법선 AB × AC(6 − 0, 0 − 3, 1 − 0)(6, −3, 1) 밝기(6, −3, 1) · (0, 0, 1) / √46약 0.15
그림 2. 외적으로 면의 법선을 구하고, 법선과 빛 방향의 내적으로 밝기를 정한다.

2.7.3예제 풀이

예제 2.7.2

처음 질문의 삼각형 \(ABC\)의 법선 벡터와 넓이를 구하고, 빛 방향 \((0, 0, 1)\)에서의 밝기를 구하여라. 법선이 두 변에 모두 수직인지도 확인하여라.

\(\overrightarrow{AB} = (1, 2, 0)\), \(\overrightarrow{AC} = (0, 1, 3)\)이므로 \(\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC} = (2\times3 - 0\times1,\ 0\times0 - 1\times3,\ 1\times1 - 2\times0) = (6, -3, 1)\)이다. \((1, 2, 0)\cdot(6, -3, 1) = 6 - 6 + 0 = 0\), \((0, 1, 3)\cdot(6, -3, 1) = 0 - 3 + 3 = 0\)이므로 두 변에 모두 수직이다.

외적의 크기는 \(\sqrt{36 + 9 + 1} = \sqrt{46} \approx 6.78\)이고, 이는 두 변이 만드는 평행사변형의 넓이이므로 삼각형의 넓이는 그 절반인 약 3.39이다. 밝기는 단위 법선과 빛 방향의 내적 \(\dfrac{(6, -3, 1)\cdot(0, 0, 1)}{\sqrt{46}} = \dfrac{1}{\sqrt{46}} \approx 0.15\)이다. 이 면은 거의 옆을 향하고 있어서 위에서 오는 빛을 15%만 받아 어둡게 칠한다. 즉 외적은 두 벡터에 수직인 방향과 평행사변형의 넓이를, 내적은 두 방향이 같은 쪽을 향하는 정도를 주어, 둘을 함께 쓰면 공간의 면이 빛을 받는 정도를 계산할 수 있다.

아래 탐구 카드에서 썰매를 끄는 힘의 일을 내적으로 구하고, 외적으로 법선과 돌림힘을 구해 3D 물체에 음영을 칠해 보자.

  1. 외적은 1840년대 아일랜드의 해밀턴이 만든 사원수에서 나왔고, 1880년대 미국의 깁스와 영국의 헤비사이드가 이를 오늘날의 내적과 외적으로 나누어 정리했다. 전자기학의 맥스웰 방정식도 그들 덕분에 지금처럼 짧은 벡터 식으로 쓰게 되었다.
마무리

내적 \(\vec a\cdot\vec b = |\vec a||\vec b|\cos\theta = a_1b_1 + a_2b_2 + a_3b_3\)은 두 벡터가 같은 방향을 향하는 정도를 수로 주고, 0이면 두 벡터가 수직이다. 외적 \(\vec a\times\vec b\)는 두 벡터에 모두 수직이고 크기가 평행사변형의 넓이인 벡터여서 면의 법선과 돌림힘을 구하는 데 쓴다. 처음 질문의 삼각형은 법선이 \((6, -3, 1)\), 넓이가 약 3.39이고, 위에서 오는 빛을 받는 밝기는 약 0.15이다.

탐구 1

썰매 줄을 비스듬히 당기면 힘의 얼마가 썰매를 끄는 데 쓰일까?

내적 · 일 · 활용
\(\vec{F}\)의 \(\vec{s}\) 방향 성분
—
일 \(W = \vec{F}\cdot\vec{s}\)
—
성분으로 계산
—

90°보다 크게 하면 줄을 뒤쪽으로 당기는 셈이다. 성분 계산은 \(\vec{F} = (|\vec{F}|\cos\theta, |\vec{F}|\sin\theta)\), \(\vec{s} = (|\vec{s}|, 0)\)으로 했다.

  1. 질문썰매를 줄로 비스듬히 당기면 힘의 일부는 썰매를 들어 올리는 데 쓰이고, 일부만 앞으로 끄는 데 쓰인다. 같은 힘으로 같은 거리를 끌어도 줄의 각에 따라 한 일이 다를까?
  2. 복원두 벡터의 내적은 \(\vec{a}\cdot\vec{b} = |\vec{a}||\vec{b}|\cos\theta = a_1b_1 + a_2b_2\)이다. \(|\vec{a}|\cos\theta\)는 \(\vec{a}\)를 \(\vec{b}\) 방향으로 정사영한 길이(부호 포함)이다.
  3. 설명물리에서 일은 "움직인 방향으로 작용한 힘 × 움직인 거리"이다. 움직인 방향의 힘은 \(\vec{F}\)를 \(\vec{s}\) 방향으로 정사영한 \(|\vec{F}|\cos\theta\)이므로 일 \(W = |\vec{F}||\vec{s}|\cos\theta = \vec{F}\cdot\vec{s}\), 곧 내적이다. 줄이 수평이면 힘을 모두 쓰고, 수직이면 일을 하지 않으며, 둔각이면 일이 음수(움직임을 방해함)가 된다. 내적은 "두 벡터가 같은 쪽을 얼마나 향하는가"에 크기를 곱한 값이다.
  4. 연결내적이 0이면 두 벡터가 수직이다. 원운동하는 물체에서 구심력이 일을 하지 않는 이유, 무거운 가방을 들고 수평으로 걸을 때 물리학적 일이 0인 이유가 모두 내적이 0이기 때문이다.
  5. 적용줄의 각을 0°부터 120°까지 바꾸며 일이 어떻게 변하는지 보자. 일이 절반이 되는 각은 몇 도인가? 두 계산(\(|\vec{F}||\vec{s}|\cos\theta\)와 성분 곱의 합)이 늘 같은지 확인해 보자.
  6. 판단실제 썰매에서는 줄을 비스듬히 당기면 썰매가 바닥을 덜 누르게 되어 마찰력이 줄어든다. 그래서 끄는 데 가장 유리한 각이 0°가 아닐 수 있다. 이 카드의 일은 줄이 한 일만 계산한 것이다.

확인조건이 달라지면

\(\vec{F} = (3, 4)\) N의 힘으로 물체를 \(\vec{s} = (5, -2)\) m만큼 옮겼다. 힘이 한 일은?

탐구 2

두 벡터에 모두 수직인 벡터는 어느 쪽을 향하고, 길이는 얼마일까?

외적 · 조작
외적의 성분
—
\(|\vec{a}\times\vec{b}|\)와 평행사변형 넓이
—
\((\vec{a}\times\vec{b})\cdot\vec{a}\), \(\cdot\vec{b}\)
—

\(\vec{a} = (2, 0, 0)\)로 고정했다. 오른손의 네 손가락을 \(\vec{a}\)에서 \(\vec{b}\) 쪽으로 감아쥐면 엄지가 외적의 방향이다. 그림을 끌면 돌아간다.

  1. 질문공간에서 두 벡터가 만드는 평면에 수직인 방향은 위와 아래 두 가지이다. 두 벡터만으로 이 중 하나를 정하고, 동시에 두 벡터가 만드는 평행사변형의 넓이까지 알려 주는 계산이 있을까?
  2. 복원두 벡터가 수직이면 내적이 0이다. 두 변의 길이가 \(a\), \(b\)이고 끼인각이 \(\varphi\)인 평행사변형의 넓이는 \(ab\sin\varphi\)이다.
  3. 설명외적 \(\vec{a}\times\vec{b} = (a_2b_3 - a_3b_2,\ a_3b_1 - a_1b_3,\ a_1b_2 - a_2b_1)\)은 세 가지 성질을 가진다. ① \(\vec{a}\), \(\vec{b}\)에 모두 수직이다(내적이 0). ② 크기는 \(|\vec{a}||\vec{b}|\sin\varphi\), 곧 두 벡터가 만드는 평행사변형의 넓이이다. ③ 방향은 오른손 법칙을 따른다. 순서를 바꾸면 \(\vec{b}\times\vec{a} = -\vec{a}\times\vec{b}\)로 방향이 뒤집힌다. 두 벡터가 평행하면(\(\varphi = 0^\circ, 180^\circ\)) 외적은 영벡터이다.
  4. 연결외적은 평면의 법선벡터를 구할 때, 삼각형의 넓이를 좌표로 구할 때 쓰인다. 물리에서는 토크 \(\vec{\tau} = \vec{r}\times\vec{F}\), 자기장 속 전하가 받는 힘 \(q\vec{v}\times\vec{B}\)가 외적이다. 다음 카드에서 토크를 직접 다룬다.
  5. 적용사잇각을 0°부터 180°까지 움직이며 외적의 길이가 평행사변형의 넓이와 늘 같은지 보자. 넓이가 가장 큰 각은? \(\vec{b}\times\vec{a}\)로 바꾸면 무엇이 달라지는가? \(\vec{b}\)를 위로 기울여도 외적이 두 벡터에 수직인지 표로 확인해 보자.
  6. 판단외적은 3차원 벡터에서만 정의된다. 평면 벡터에는 "두 벡터에 모두 수직인 같은 평면 위의 벡터"가 없기 때문이다. 또 외적은 교환법칙이 성립하지 않으므로 순서를 함부로 바꾸면 부호가 틀린다.

확인조건이 달라지면

세 점 O(0, 0, 0), A(1, 2, 0), B(3, 1, 0)을 꼭짓점으로 하는 삼각형의 넓이는?

탐구 3

녹슨 볼트를 풀려면 렌치의 어디를 어느 방향으로 밀어야 할까?

외적 · 토크 · 활용
토크 \(|\vec{r}\times\vec{F}|\)
—
팔 길이 \(|\vec{r}|\sin\varphi\)
—
볼트
—

이 볼트는 40 N·m 이상의 토크가 걸려야 풀린다고 하자. 도전해 보자. 가장 작은 힘으로 볼트를 풀어 보자.

  1. 질문꽉 조인 볼트가 풀리지 않을 때 렌치 손잡이 끝을 잡거나 긴 파이프를 끼우면 쉽게 풀린다. 힘은 같은데 왜 효과가 다를까? 손잡이를 렌치 방향으로 밀면 왜 아무 일도 일어나지 않을까?
  2. 복원외적 \(\vec{r}\times\vec{F}\)의 크기는 \(|\vec{r}||\vec{F}|\sin\varphi\)이고, 방향은 \(\vec{r}\)과 \(\vec{F}\)에 모두 수직이며 오른손 법칙을 따른다.
  3. 설명물체를 돌리는 효과를 토크(돌림힘)라고 하고, \(\vec{\tau} = \vec{r}\times\vec{F}\)로 나타낸다. \(\vec{r}\)은 회전축(볼트 중심)에서 힘을 주는 곳까지의 위치벡터이다. 크기 \(|\vec{r}||\vec{F}|\sin\varphi\)는 "힘 × 팔 길이"인데, 팔 길이 \(|\vec{r}|\sin\varphi\)는 볼트 중심에서 힘의 작용선까지의 거리이다. 그래서 손잡이 끝을 잡고(\(|\vec{r}|\)이 크게), 렌치에 수직으로 밀 때(\(\sin\varphi = 1\)) 토크가 가장 크다. 렌치 방향으로 밀면 \(\varphi = 0\)이라 토크는 0이다. 외적의 방향(볼트 축 방향의 위 또는 아래)은 조이는 쪽인지 푸는 쪽인지를 알려 준다.
  4. 연결문손잡이가 경첩 반대쪽 끝에 달린 것, 시소에서 가벼운 사람이 멀리 앉는 것, 자전거 페달이 아래로 내려갈 때 가장 힘이 잘 전달되는 것이 모두 토크 때문이다.
  5. 적용40 N·m를 넘겨 볼트를 풀어 보자. 잡는 위치를 0.4 m로 하면 필요한 힘은 몇 N까지 줄어드는가? 각 \(\varphi\)를 0°와 180°로 하면 어떻게 되는가? 90°보다 큰 각에서는 무엇이 다른가?
  6. 판단이 그림은 볼트 축에 수직인 평면에서 미는 경우만 다룬다. 렌치를 비스듬히 위로 당기면 힘의 일부는 볼트 축 방향으로 가서 돌리는 데 쓰이지 않는다. 실제로는 렌치나 볼트가 견딜 수 있는 토크에도 한계가 있다.

확인조건이 달라지면

길이 0.25 m인 렌치 끝을 렌치와 \(30^\circ\)를 이루는 방향으로 200 N의 힘으로 밀었다. 토크의 크기는?

탐구 4

게임 속 3D 물체는 어떻게 그림자를 칠할까?

외적과 내적 · 3D 그래픽 · 활용

—

면의 밝기 = max(0, 법선 · 빛 방향) (둘 다 단위벡터). 법선은 면의 두 모서리 벡터의 외적이다.

  1. 질문게임 속 공은 사실 작은 삼각형 수백 개를 이어 붙인 것이다. 컴퓨터는 이 삼각형마다 얼마나 밝게 칠할지를 어떻게 정할까?
  2. 복원외적 \(\vec{u}\times\vec{v}\)는 두 벡터에 모두 수직이고, 단위벡터끼리의 내적은 사잇각의 코사인이다.
  3. 설명삼각형 PQR의 두 모서리 \(\vec{u} = \overrightarrow{\mathrm{PQ}}\), \(\vec{v} = \overrightarrow{\mathrm{PR}}\)의 외적 \(\vec{u}\times\vec{v}\)를 크기 1로 줄이면 면에 수직인 법선벡터 \(\hat{n}\)이 된다. 빛이 오는 방향의 단위벡터를 \(\hat{l}\)이라 하면, 면이 빛을 정면으로 받을수록 밝으므로 밝기 \(= \max(0, \hat{n}\cdot\hat{l}) = \max(0, \cos\theta)\)로 칠한다. 이것을 램버트 조명 모형이라고 한다. 내적이 음수인 면은 빛을 등지고 있어 검게 칠한다. 이 계산은 정사영 단원에서 태양광 패널이 받는 빛의 양 \(\cos\gamma\)와 같은 식이다.
  4. 연결외적의 순서(\(\vec{u}\times\vec{v}\)인가 \(\vec{v}\times\vec{u}\)인가)는 법선이 바깥을 향하느냐 안을 향하느냐를 정한다. 그래서 3D 모델 파일은 삼각형의 꼭짓점을 늘 같은 방향(예를 들어 바깥에서 볼 때 시계 반대 방향)으로 적는 약속을 지킨다.
  5. 적용빛의 방향을 바꾸며 가장 밝은 면이 빛 쪽을 향한 면인지 보자. 면의 개수를 늘리면 공이 얼마나 매끄러워 보이는가? "외적 순서 뒤집기"를 켜면 무슨 일이 생기는가? 법선을 보면서 이유를 설명해 보자.
  6. 판단이 모형은 빛이 면에 닿는 각만 본다. 실제 그래픽에는 반짝이는 반사광, 다른 물체가 드리우는 그림자, 주변에서 되비친 빛이 더해진다. 또 면마다 밝기를 하나로 칠하면 각진 모습이 남아, 실제 게임은 꼭짓점의 법선을 섞어 매끄럽게 보이게 한다.

확인조건이 달라지면

어떤 면의 단위 법선이 \(\left(0, 0, 1\right)\)이고 빛이 오는 방향의 단위벡터가 \(\left(\frac{1}{2}, 0, \frac{\sqrt{3}}{2}\right)\)일 때, 이 면의 밝기(0~1)는?

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