하양짱샘수학이야기

고등 기하의 공간도형 단원에서 학생들이 가장 많이 막히는 개념을 하나 꼽으라면 단연 정사영입니다.

공식은 S' = S × cosθ 하나뿐인데도,

막상 문제를 풀려면 "이 θ가 도대체 어느 각이지?"에서 멈추는 경우가 대부분입니다.

​

오늘은 짱샘수학에서 정사영을 처음 접하는 학생들도 이해할 수 있도록,

그림자 비유에서 출발해 공식의 원리와 θ를 찾는 방법,

그리고 실전 예제까지 순서대로 정리해드리겠습니다.

2단계. 선분의 정사영 — 길이는 cosθ배가 됩니다

길이가 L인 선분이 평면과 θ의 각을 이루고 있을 때, 이 선분의 정사영 길이는 다음과 같습니다.

정사영의 길이 = L × cosθ

선분과 그 그림자, 그리고 선분 끝에서 평면에 내린 수선이 직각삼각형을 이루기 때문입니다.

이 직각삼각형에서 빗변이 L이고 밑변이 그림자이므로, 그림자의 길이는 L cosθ가 됩니다.

이때 θ는 선분과 평면이 이루는 각입니다.

3단계. 도형의 정사영 — 넓이도 cosθ배가 됩니다

평면 위의 도형(넓이 S)을 다른 평면에 정사영시키면, 그림자의 넓이는 다음과 같습니다.

정사영의 넓이 S' = S × cosθ

여기서 θ는 두 평면이 이루는 각입니다.

선분의 경우와 각이 가리키는 대상이 다르다는 점이 첫 번째 주의사항입니다.

​

왜 넓이도 cosθ배일까요?

두 평면이 만나는 직선(교선)을 x축이라고 하겠습니다.

도형을 두 방향으로 나누어 생각해보면 이유가 보입니다.

• 교선과 평행한 방향: 도형을 눕혀도 그림자의 길이는 그대로입니다. (배율 1)
• 교선과 수직인 방향: 앞의 선분 이야기처럼 길이가 cosθ배로 줄어듭니다. (배율 cosθ)

한 방향은 그대로이고 한 방향만 cosθ배가 되므로, 넓이는 1 × cosθ = cosθ배가 됩니다.

도형의 모양이 무엇이든 마찬가지입니다.

예제 2. 넓이의 정사영 (기본)

문제: 평면 α와 60도의 각을 이루는 평면 위에 넓이가 10인 도형이 있습니다. 이 도형의 α 위로의 정사영의 넓이를 구하시오.

풀이

정사영의 넓이 = 10 × cos60° = 10 × (1/2) = 5

답: 5

핵심 공식

삼각형 ABC의 세 변의 길이를 각각

왜 이렇게 될까요? (증명 — 각의 이등분선 공식을 두 번 씁니다)

이 공식은 사실 새로운 내용이 아니라,

각의 이등분선이 대변을 내분하는 성질을 두 번 적용한 것뿐입니다.

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1단계. 꼭짓점 A에서의 각의 이등분선이 변 BC를 만나는 점 D 구하기

각의 이등분선 성질에 의해, 점 D는 선분 BC를 AB : AC = c : b 로 내분합니다. 내분점 공식을 적용하면:

2단계. 내심 I가 선분 AD를 내분하는 비율 구하기

내심은 세 각의 이등분선이 만나는 점이므로, I는 선분 AD 위에 있습니다.

이때 AI : ID = (b+c) : a 라는 성질이 성립합니다

(삼각형 ABD에서 각 B의 이등분선이 AD를 만나는 점이 바로 I가 되는 것을 이용해 증명할 수 있습니다).

내분점 공식을 다시 적용하면:

각의 이등분선 공식을 두 번 연달아 쓴 것뿐인데, 깔끔한 가중평균 공식이 완성됩니다.

실전 적용 — 세 단계로 빠르게 풀기

좌표가 주어진 문제를 만나면 다음 세 단계로 진행하면 됩니다.

✔️ 1단계: 세 변의 길이 확인 (거리 공식으로 a, b, c 계산)

✔️ 2단계: 길이비로 가중평균 (I = (aA+bB+cC)/(a+b+c) 대입)

✔️ 3단계: 마지막은 반지름까지 (r = 넓이 ÷ 반둘레)

예제로 확인하기

문제: 좌표평면 위에 A(0,0), B(4,0), C(0,3)인 삼각형이 있습니다.

이 삼각형의 내심의 좌표와 내접원의 반지름을 구하시오.

​

1단계. 세 변의 길이 확인

a = BC = 두 점 B(4,0), C(0,3) 사이의 거리

2단계. 길이비로 가중평균

내심의 좌표: (1,1)

​

3단계. 반지름까지

내접원의 반지름: 1

​

검산해보면, 이 삼각형은 A가 직각인 직각삼각형이고 두 변이 좌표축 위에 놓여 있으므로,

내심은 두 축으로부터 각각 반지름만큼 떨어진 점, 즉 (r, r)에 위치해야 합니다.

구한 반지름이 1이므로 내심 좌표 (1,1)과 정확히 일치합니다.

"지금 배우는 이 단원이 나중에 어디로 이어지나요?"

짱샘수학에 상담 오시는 학부모님들이 정말 많이 물어보시는 질문입니다.

수학은 어느 한 단원만 뚝 떼어놓고 볼 수 없습니다.

초등학교 저학년 때 배운 개념이 실 한 가닥처럼 이어져서 결국 고3 미적분까지 연결되기 때문입니다.

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오늘은 이 연결 고리, 즉 수학의 계통도를 큰 줄기 다섯 가지로 나누어 정리해드리겠습니다.

지금 학생들이 배우고 있는 단원이 전체 그림에서 어느 위치에 있는지,

그리고 앞으로 어디로 이어지는지 한눈에 확인하실 수 있습니다.

미분 단원에서 극한 문제를 풀다 보면 이런 식을 자주 만나게 됩니다.

핵심 공식

함수 f가 x=a에서 미분가능할 때, 다음이 성립합니다.

극한 안에 있는 두 계수 p, q의 차이만 구해서 f '(a)에 곱하면 끝입니다.

아무리 복잡해 보이는 식이라도, p와 q만 정확히 찾아내면 몇 초 안에 답이 나옵니다.

왜 이렇게 될까요? (증명)

f(a)를 더하고 빼서 식을 둘로 쪼개는 것이 핵심입니다.

첫 번째 항을 살펴보겠습니다.

같은 방식으로 두 번째 항은 q×f '(a)로 수렴합니다.

두 결과를 원래 식에 대입하면:

예제 1. 기본형

문제:

풀이

a=1, p=3, q=−1 이므로 공식에 바로 대입합니다.

예제 2. 분모가 h가 아닐 때

문제:

풀이

분모가 2h이므로, 먼저 1/2을 앞으로 빼내서 분모를 h로 맞춰줍니다.

예제 3. 겉보기에 다른 형태 (합성 형태)

문제:

풀이

이 문제는 h가 아니라 x→2 형태로 나와서 처음엔 공식이 바로 안 보일 수 있습니다.

x=2+h로 치환해보겠습니다.

x→2이면 h→0이고, 3x−4 = 3(2+h)−4 = 2+3h 가 됩니다.

예제 4. 거꾸로 활용하기 — 조건에서 미지수 구하기

문제 :

풀이

공식에 대입하면:

극한값이 주어지고 계수를 거꾸로 찾아야 하는 문제에서도, 공식 하나로 방정식을 세워 바로 풀 수 있습니다.

마치며

오늘 공식의 핵심은 결국 "미분계수의 정의를 정확히 이해하고 있는가"입니다.

먼저, 기본 넓이 공식부터 정리하겠습니다

두 포물선 y=ax², y=bx² (0<a<b)와 수평선 y=h로 둘러싸인 도형(y축 오른쪽 부분)의 넓이는 다음과 같습니다.

이 공식은 두 포물선이 직선 y=h와 만나는 점의 x좌표를 각각 구하고, 두 부분의 넓이 차이를 적분해서 얻은 결과입니다. 오늘은 이 식을 매번 새로 적분하지 않고, 닮음과 비슷한 원리로 빠르게 재활용하는 두 가지 방법을 소개합니다.

경우 1. 전체 구성을 통째로 확대·축소하는 경우

지난 글에서 증명한 원리는 "도형 전체를 같은 비율(k)로 확대·축소하면 넓이는 k²배가 된다"는 것이었습니다.

이 원리는 경계가 포물선이든 직선이든 상관없이 성립합니다.

두 포물선과 직선을 모두 함께 k배 하면 됩니다.

변환 (x,y) → (kx,ky)를 적용하면,

y=ax²는 y=(a/k)x²로, y=bx²는 y=(b/k)x²로, 직선 y=h는 y=kh로 바뀝니다.

즉 새로운 a, b, h를 모두 정해진 규칙대로 함께 바꾼 경우에만 넓이가 k²배가 됩니다.

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예제 1

포물선 y=x², y=4x² 와 직선 y=4로 둘러싸인 도형(y축 오른쪽)의 넓이를 구해보겠습니다.

이제 이 전체 구성을 3배로 확대해보겠습니다.

새 포물선은 y=(1/3)x², y=(4/3)x², 새 직선은 y=12가 됩니다.

지난 글의 원리대로 넓이는 3²=9배가 되어야 합니다.

새 넓이 = (8/3) × 9 = 24

직접 계산해서 검산해보면:

정확히 일치합니다.

경우 2. 포물선은 그대로 두고, 직선의 높이만 바뀌는 경우

실전에서 훨씬 자주 만나는 상황은 이쪽입니다. 두 포물선 y=ax², y=bx²는 고정되어 있고, 자르는 직선의 높이 h만 다른 값으로 바뀌는 경우입니다. 이때는 지난 글의 원리를 그대로 쓸 수 없습니다. 가로와 세로를 다른 비율로 늘리는 특수한 변환이 필요합니다.

변환 (x,y) → (λx, λ²x) 를 생각해보겠습니다. 포물선 y=ax² 위의 점 (x,y)를 이 변환으로 옮기면 (λx, λ²y)가 되는데, 이 점이 같은 포물선 y=ax² 위에 있는지 확인해보겠습니다.

새로운 y좌표: λ²y = λ²(ax²) 새로운 x좌표의 제곱에 a를 곱한 값: a(λx)² = aλ²x²

두 값이 정확히 같습니다.

즉 이 변환은 포물선 y=ax²를 자기 자신으로 옮깁니다.

포물선의 모양은 그대로 유지된 채, 직선 y=h만 y=λ²h로 옮겨지는 것입니다.

지난 글의 변환이 "도형 전체를 다른 도형으로 옮기는 닮음"이었다면,

이번 변환은 "포물선은 그대로 두고 자르는 위치만 바꾸는 변환"이라는 점에서 성격이 다릅니다.

이 변환에서 넓이가 어떻게 바뀌는지 살펴보면,

x방향으로 λ배, y방향으로 λ²배 늘어나므로 넓이는 두 비율을 곱한 λ³배가 됩니다.

​

예제 2

앞선 예제 1과 같은 포물선 y=x², y=4x² 에서, 직선을 y=4가 아니라 y=16으로 바꾸면 넓이는 어떻게 될까요?

h가 4에서 16으로 바뀌었으므로 λ²=16/4=4, 즉 λ=2입니다. 넓이는 λ³=8배가 되어야 합니다.

새 넓이 = (8/3) × 8 = 64/3

직접 계산해서 검산해보면:

증명 — 원점을 중심으로 한 확대·축소 변환

원점을 중심으로 x좌표와 y좌표를 동시에 k배 하는 변환을 생각해보겠습니다.

변환 T : (x, y) → (kx, ky)

C₁ 위의 임의의 점 (x₀, y₀)을 이 변환으로 옮겨서, 그 결과가 C₂ 위에 있도록 만드는 k값을 찾아보겠습니다.

점 (x₀,y₀)은 C₁ 위에 있으므로 y₀ = a·x₀² 을 만족합니다. 변환 후의 점 (kx₀, ky₀)이 C₂: y=bx² 위에 있으려면 다음이 성립해야 합니다.

k·y₀ = b·(kx₀)²

우변을 정리하면 b·k²·x₀² 이고, 좌변은 k·a·x₀² (y₀=ax₀²를 대입) 이므로:

k·a·x₀² = b·k²·x₀²

양변에서 x₀²을 나누고 정리하면:

a = b·k

∴ k = a/b

즉, k=a/b로 정하면, C₁ 위의 모든 점이 이 변환을 통해 정확히 C₂ 위의 점으로 옮겨집니다.

x₀는 임의의 값이었으므로, 이 관계는 C₁ 위의 모든 점에서 성립합니다.

변환 T는 원점을 중심으로 x, y를 동일한 비율(k)로 늘리거나 줄이는 닮음변환입니다.

따라서 C₁과 C₂는 닮음이며, 닮음비는 |a/b| 입니다.

이번에는 그래프로 볼까요?

두 포물선

이 다음과 같이 점 A, B, C, D에서 포물선과 만난다.

점 A, B, C, D의 좌표를 구해 보자.

여기서

임을 알 수 있습니다.

∠O는 공통이므로

마치며

포물선이 닮음 도형이라는 사실은 단순한 호기심거리가 아닙니다.

오늘 예제 3처럼, 이미 계산해 둔 결과를 닮음비만으로 다른 포물선에 그대로 적용할 수 있다는 것은 실전에서 매우 강력한 도구가 됩니다. 특히 여러 포물선이 함께 등장하는 문제에서, 매번 처음부터 적분하지 않고 비율 관계로 빠르게 답을 찾아내는 감각을 길러두면 큰 도움이 됩니다.

짱샘수학에서는 이렇게 서로 다른 단원의 개념(닮음과 적분)이 어떻게 연결되는지도 함께 짚어드리며

수업을 진행하고 있습니다.

학생들이 지금 이런 심화 연결 개념을 배울 준비가 되어 있는지 궁금하시다면 편하게 상담 문의 주시기 바랍니다.

삼차함수의 극댓값과 극솟값을 각각 구한 뒤 더하는 문제, 다들 한 번쯤 풀어보셨을 겁니다.

그런데 사실 두 극값을 따로 계산할 필요 없이,

변곡점의 함숫값 하나만 알면 곧바로 그 합을 구할 수 있는 공식이 있습니다.

오늘은 이 공식이 어떻게 나오는지 증명부터,

실제 문제에 적용하는 방법까지 짱샘수학에서 정리해드리겠습니다.

핵심 공식

삼차함수 f(x)=ax³+bx²+cx+d (a≠0)가 극댓값과 극솟값을 모두 가질 때, 이 두 값의 합은 다음과 같습니다.

극댓값 + 극솟값 = 2 × f(변곡점의 x좌표)

변곡점의 x좌표는 이미 알고 계신 것처럼 -b/(3a) 이므로, 이 값을 f(x)에 대입해서 2배 하면 끝입니다.

극점의 x좌표를 따로 구하지 않아도 된다는 것이 이 공식의 핵심입니다.

이 식을 전개하면 다음과 같이 정리됩니다.

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여기서 u²의 계수가 등장하지 않는다는 점이 중요합니다.

​우변은 u에 대한 홀함수입니다(u를 −u로 바꾸면 전체 부호가 반대로 바뀝니다).

​두 식을 더하면 우변이 정확히 상쇄되어 0이 됩니다.

​

따라서:

​좌변이 바로 극댓값과 극솟값의 합입니다.

​두 극점의 좌표를

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​

예제 1. 기본 공식으로 바로 계산하기

문제: f(x) = x³−3x 의 극댓값과 극솟값의 합을 구하시오.

풀이

a=1, b=0 이므로 변곡점의 x좌표는 x₀ = 0 입니다.

f(0) = 0

극댓값+극솟값 = 2×f(0) = 0

직접 검산해보면, f '(x)=3x²−3=0에서 극점은 x=−1, 1이고 f(−1)=2, f(1)=−2로 합이 0이 되어

공식과 정확히 일치합니다.

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예제 2. 극점을 구하지 않고 계수가 있는 함수에 적용하기

문제: f(x) = x³−6x²+9x+1 의 극댓값과 극솟값의 합을 구하시오.

풀이

a=1, b=−6 이므로 x₀ = −(−6)/(3×1) = 2

f(2) = 8−24+18+1 = 3

극댓값+극솟값 = 2×3 = 6

f '(x)=0의 근을 구해서 두 극값을 각각 계산하는 대신, 변곡점 하나만 대입해서 끝냈습니다.

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예제 3. 계수가 여러 개인 경우

문제: f(x) = 2x³+3x²−12x+5 의 극댓값과 극솟값의 합을 구하시오.

풀이

a=2, b=3 이므로 x₀ = −3/(3×2) = −1/2

f(−1/2) = 2×(−1/8) + 3×(1/4) − 12×(−1/2) + 5 = −1/4 + 3/4 + 6 + 5 = 11.5

극댓값+극솟값 = 2×11.5 = 23

답: 23

검산해보면 f '(x)=6x²+6x−12=6(x+2)(x−1)에서 극점은 x=−2, 1이고,

f(−2)=25, f(1)=−2로 합이 정확히 23이 됩니다.

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예제 4. 거꾸로 활용하기 — 조건에서 미지수 구하기

문제: f(x) = x³−3x²+k 의 극댓값과 극솟값의 합이 8일 때, 상수 k의 값을 구하시오.

풀이

a=1, b=−3 이므로 x₀ = −(−3)/(3×1) = 1

f(1) = 1−3+k = k−2

극댓값+극솟값 = 2×(k−2) = 2k−4

문제에서 이 값이 8이라고 했으므로:

2k−4 = 8

2k = 12

k = 6

이렇게 극값을 직접 구하지 않고도,

합에 대한 조건만으로 미지수를 바로 찾아낼 수 있습니다.

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오늘 배운 내용 정리

문제 유형	필요한 계산	핵심 포인트
예제 1, 2	변곡점 x좌표 → 함숫값 → 2배	극점을 따로 구할 필요 없음
예제 3	계수가 많아도 동일한 절차	a, b만 정확히 대입
예제 4	공식을 거꾸로 활용	합 조건 → 미지수 역산

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마치며

이 공식의 핵심은 결국 "삼차함수는 변곡점을 중심으로 점대칭"이라는 사실 하나입니다.

두 극점이 변곡점으로부터 같은 거리만큼 떨어져 있고 대칭이기 때문에,

두 함숫값의 합이 변곡점 함숫값의 2배로 정리되는 것입니다.

공식을 단순히 암기하기보다 이 대칭 구조를 이해하고 나면,

극값의 차를 구하는 공식이나 다른 삼차함수 성질들과도 자연스럽게 연결해서 이해할 수 있습니다.

짱샘수학에서는 이런 공식을 다룰 때도 결과만 전달하지 않고,

치환과 대칭성을 이용한 증명 과정을 함께 짚어드리고 있습니다.

학생들이 지금 이런 삼차함수 심화 개념을 배울 준비가 되어 있는지 궁금하시다면

편하게 상담 문의 주시기 바랍니다.

지난 글에서 초등학교부터 고등학교까지 나오는 삼각형 넓이 공식 9가지를 정리해드렸는데요,

개념만 보고 넘어가면 실제 문제에서 어떤 공식을 골라야 할지 감이 잘 안 잡히실 수 있습니다.

오늘은 각 공식을 실제 문제에 직접 적용해보면서,

"이런 조건이 주어지면 이 공식을 쓴다"는 감각을 확실히 잡아보겠습니다.

예제 1. 기본형 복습 — 좌표에서 밑변과 높이 찾기

문제: 좌표평면 위 세 점 A(0,0), B(6,0), C(2,4)로 이루어진 삼각형의 넓이를 구하시오.

풀이

두 점 A, B가 모두 x축 위에 있으므로, 선분 AB를 밑변으로 잡으면 밑변의 길이는 6입니다. 점 C의 y좌표가 그대로 높이가 되므로 높이는 4입니다.

답: 12

두 점이 축 위에 나란히 있을 때는, 굳이 복잡한 공식을 쓰지 않고 기본 공식만으로 충분히 빠르게 풀립니다.

예제 2. 두 변과 사잇각이 주어졌을 때 — 삼각비 공식

문제: 두 변의 길이가 각각 6, 8이고 그 사잇각이 60도인 삼각형의 넓이를 구하시오.

풀이

두 변과 사잇각이 주어졌으므로 삼각비 공식을 사용합니다.

높이를 따로 구하지 않고, 사잇각의 사인값만으로 바로 계산했습니다.

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예제 3. 세 변의 길이만 주어졌을 때 — 헤론의 공식

문제: 세 변의 길이가 각각 5, 6, 7인 삼각형의 넓이를 구하시오.

풀이

각도 정보가 전혀 없고 세 변의 길이만 주어졌으므로 헤론의 공식을 사용합니다. 먼저 반둘레를 구합니다.

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풀이

이번에는 어떤 변도 축과 평행하지 않으므로, 신발끈 공식을 사용하는 것이 가장 빠릅니다.

예제 5. 두 벡터로 주어졌을 때 — 벡터 외적 공식

문제: 한 점에서 뻗어나가는 두 벡터가 각각 (3,1), (2,4)일 때, 이 두 벡터가 이루는 삼각형의 넓이를 구하시오.

풀이

두 벡터 성분으로 바로 넓이를 구하는 공식을 사용합니다.

이 공식은 사실 신발끈 공식과 원리가 같습니다.

한 꼭짓점을 원점으로 옮겨서 생각하면, 신발끈 공식이 그대로 벡터 외적 공식이 됩니다.

예제 6. 종합문제 — 외접원과 내접원의 반지름 공식

문제: 세 변의 길이가 3, 4, 5인 직각삼각형이 있습니다. 이 삼각형의 외접원의 반지름 R과 내접원의 반지름 r을 이용해, 각각의 공식으로 넓이를 구하시오.

풀이

외접원 반지름 공식 활용

3-4-5 직각삼각형은 빗변이 5이므로, 외접원의 반지름은 빗변의 절반입니다. R = 5/2

내접원 반지름 공식 활용

반둘레 s = (3+4+5)/2 = 6 이고, 직각삼각형의 넓이를 기본 공식으로 먼저 구하면 (1/2)×3×4=6 입니다.

이 값을 이용해 내접원 반지름을 역으로 구하면 r=1이 됩니다.

(지난 "외심·내심·방심" 글에서 같은 삼각형으로 이미 확인했던 값입니다.)

넓이 = r × s = 1 × 6 = 6

답: 두 방법 모두 넓이 6으로 일치

서로 다른 두 공식으로 같은 답이 나오는 것을 확인했습니다.

이렇게 검산까지 해보는 습관을 들이면 실수를 크게 줄일 수 있습니다.