2023년 4월 30일 일요일

직선의 방정식(6) 수직인 직선의 기울기




수직인 직선의 기울기
slope of perpendicular lines


"수직인 두 직선의 기울기 곱은 -1"
" slopes of perpendicular lines are
negative reciprocals "



  




수직인 두 직선의 기울기를 서로 곱하면왜 항상 – 1 이 성립하는지에 대한 질문이 있어이에 대한 보충 설명을 하도록 합니다.

고등 수학의 이과 과정까지 공부를 한 학생이라면아래의 방법 등으로 간단하게 증명할 수 있습니다.

(a) 행렬을 이용한 90˚ 회전 변환 (rotation matrix)

(b) 삼각함수의 덧셈정리를 활용한 tan (α – β) = π / 2 (formula for the difference of tangents)

(c) 벡터의 내적을 이용한A • B = |A| |B| cos θ = 0 (inner product of vectors)


그러나일반적인 중학생 또는 문과 고등학생의 수준에 맞도록, (1) 도형기하 (synthetic geometry)  (2) 해석기하 (coordinate geometry)  2 가지 증명 방법만으로 설명하고자 합니다.

물론기하를 이용한 증명 과정의 설명이 더 복잡하고 지루할 수도 있습니다만, ' 좌표평면에서의 계산' 을 이용하는 해석기하의 방법은고등수학에서 배우는 내용이니까응용력의 향상을 위해서라도 철저하게 기본개념과 해결과정을 이해해 두기 바랍니다.






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 [ A ] 도형 기하 (synthetic geometry) 의 방법


직선을 평행 이동시켜도 그 기울기는 변하지 않으니까원점을 지나면서 기울기가 서로 수직인 두 직선으로 예를 들어서두 기울기의 곱 = – 1 이라는 것을 증명하더라도일반성을 훼손하지 않겠지요?

그러면아래의 그림에서 원점을 지나는 빨간색과 파란색의 두 직선을 가지고 설명합니다.



(1) 아래의 그래프와 같이 파란 직선 위의 한 점 를 잡고 이 점에서 축으로 수선을 내려 수선의 발을 라 합니다.


(2) 이번에는빨간색 직선 위에 OB OE 가 되도록 점 를 잡습니다점 에서 축으로 수선을 내려 수선의 발을 라고 합니다.







(3) 위 그림에서 보이는파란색과 빨간색의 두 직각삼각형 ΔOAB 와 ΔODE 는 서로 합동 즉기호로는 ΔOAB ≡ ΔODE 입니다왜냐하면아래와 같이 직각삼각형의 [RHA] 합동조건 혹은 삼각형의 [AAS] 합동조건이 성립하기 때문입니다.


(a) 수선을 내렸으니까A = D = R = 90˚
  Right angle (or Angle)

(b) 처음부터 길이가 같도록 잡았으니까OB = OE
  Hypotenuse (or Side)

(c) EOD +DOB = DOB + BOA = R = 90˚ 이므로EOD = BOA
  Angle

♧ 참고로 우리나라에서는 직각삼각형의 [RHA] 합동조건을 사용하고 있지만대부분의 영어권 국가에서는 삼각형의 [AAS] 합동조건의 방법으로 가르치고 있습니다.



(4) 두 직각 삼각형은 서로 합동이니까AB DE 이고 OA OD 가 됩니다.



(5) 여기서파란색 직선의 기울기는 AB ÷ OA 이고파란색 직선의 기울기는 DE ÷ (– OD이므로두 직선의 기울기를 서로 곱하면 – 1 이 됩니다.


(AB ÷ OA) x {OD ÷ (–DE)}

= (AB ÷ OA) x {OA ÷ (–AB)}

= – 1






[ B ] 해석 기하 (coordinate geometry) 의 방법


직선을 평행 이동시켜도 그 기울기는 변하지 않으니까앞에서와 같이원점을 지나는 빨간색과 파란색의 두 직선을 가지고 설명합니다.



해석기하에서는 상대적으로 계산이 복잡해지기 때문에일반성을 훼손하지 않는 범위내에서 최소의 미지수를 사용해야 좋습니다.



(1) 아래 그림에서 파란색 직선의 기울기를 k빨간 직선의 기울기를 이라 정하고x 축 위에 두 점 = (a, 0) 와 = (b, 0) 를 잡습니다.







(2) 그리고  C에서 검은색 점선으로 표시된 수선을 올려서, 만나는 파란 직선 위의 점을 그리고 빨간색 직선 위에 점을 라고 하면,


(3) 직선 위에 있는 점들은 직선식을 만족해야 하니까문자로 된 기울기의 값을 적용하면= (aka그리고 = (bmb라고 놓을 수 있겠지요?


문자로 정하는 것이니까좌표나 기울기의 부호 (+/–) 와 전혀 상관이 없다는 점에 유의하세요.



(4) 각 점들의 좌표를 대입하여직각삼각형 세변의 길이를 구하면,


OA2 = a2 + (ka)2

OB2 = b2 + (mb)2

AB2 = ( b)2 + (ka – mb)2



(5) 이제위 그림에서 보라색의 칠해진 ΔOAB 를 보면 직각삼각형이니까, [피타고라스의 정리를 적용하면,

OA2 OB2 = AB2 

a2 + (ka)2 + b2 + (mb)= ( b)2 + (ka – mb)2

0 = – 2ab – 2kamb

= – 2ab (1 + km)



(5) 그런데위 식에서 도  0 이 아니니까km = – 1두 기울기의 곱은 – 1.





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