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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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영어번역을 함께 보시려면, 아래의 링크를 눌러주세요.

Please click the following link
to read English translation.


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절대값 그래프(2) 절대값 일차함수의 그래프




절대값 일차함수
linear absolute value functions


"절대값 그래프부터 상위수학의 시작입니다"
" graphing absolute value functions will lead you to
the higher level mathematics "







함수의 그래프는 고등수학 미적분까지 이어지는 중고등수학의 가장 핵심적인 단원입니다.

이 중에서도절대값 함수의 그래프는 구간을 나누어 생각해야 하고각각의 구간별 풀이는 교집합()과 합집합()의 개념을 논리적으로 정확하게 적용해야 하는 사고력 수학의 전형적인 유형입니다.

중고등 과정의 중급 및 심화문제에서 자주 등장하는 매우 중요한 유형이고함수 그래프에서도 많이 응용이 되는 개념이므로반드시 기본개념과 응용력을 철저히 익혀야 합니다.








               







함수 = | 의 그래프는 어떻게 그려야 할까요?



절대값이 포함된 일차함수도앞에서 배웠던 절대값 방정식과 같이 절대값 안의 값이 양(+)의 값인지 음()의 값인지에 따라, 2 가지 경우로 나누어 그래프로 나타내는 것이 원칙입니다.

(A)  일 때
(B)   0 일 때
y = – x
y = x




위 내용을 이해하기 쉽게논리 다이어그램으로 나타내 볼까요?


(A)  일 때
(B)  일 때
P
Q




따라서답은 (AP)(BQ) 가 되겠지요이제 이 내용을 그래프로 나타내도록 합니다.




(1) < 0 이 나타내는 부등식의 영역은좌표평면에서 값이 음 (이 되는II 와 III 사분면을 나타내니까아래 그림에서빨간색으로 표시된 영역입니다.



(2) 이제(AP) 이니까 이 빨간색 영역에서만 y = – x 의 그래프를 그려 넣어야 하겠지요아래의 그림에서 감소하는 파란 직선입니다.


  
(3) ≥ 0 이 나타내는 부등식의 영역은좌표평면에서 값이 양 (+) 이 되는I, IV 사분면과 축을 포함하는 영역으로아래 그림에서 파란색으로 표시된 영역입니다.



(4) 이번에도 (BQ) 이니까이 파란색 영역에서만 y = x 의 그래프를 그려 넣어야 하겠지요아래의 그림에서 증가하는 파란 직선입니다.



  
(5) 마지막으로(AP)(BQ) 이니까위의 (2)(4) 인 두 반직선 그래프의 합집합(을 한 좌표평면에 합쳐서 그리면 됩니다결과는 아래 그림에서 보듯이파란색 꺽은선 그래프가 되지요?



   



이제= | 의 그래프 그리기가 충분히 이해되었다면별도로 구간을 나누어 생각하지 않더라도위의 그림이 머리 속에 그대로 떠올라야 합니다수학에서도 가장 기초적이고 기본적인 것은 확실하게 이해한 후 기억해 두어야한 계단씩 더 어려운 심화단계로 쉽게 나아갈 수 있습니다.







이제조금 더 복잡한 = | x – 3 | – x + 1 | 의 그래프를 그려볼까요?


이번에도절대값 안의 값이 양(+)의 값인지 또는 음()의 값인지에 따라각각 가지씩 이지만– 1 ≤ 와 < 3 의 구간은 하나로 합쳐지니까총 세 구간으로 나누면 되겠지요?


= | x – 3 | – x + 1 |




(A) 1일 때
(B) 1≤ 3일 때
(C) ≥ 3일 때
y = –x+3 – (–x–1)
y = 4
y = –x + 3 – (x+1)
y = – x + 2
y = x – 3 – (x+1)
y = – 4





이것도앞에서 설명한 (AP)(BQ)(CR) 의 개념을 적용하면 되겠지요?




(1)  – 1 이 나타내는 부등식의 영역은아래 그림에서 빨간색으로 표시된 영역이니까여기에는 y = 4 의 그래프를 그려 넣고,



(2)  – ≤ 3 가 나타내는 부등식의 영역은아래의 그림에서 노란색으로 표시된 영역이니까여기에는 y = – x + 2 의 그래프를 그리면 되겠지요?



(3) 마지막으로,  ≥ 3 가 나타내는 부등식의 영역은아래 그림에서 파란색으로 표시된 영역이니까여기에서는 y = – 4 의 그래프를 그리면 됩니다.



(4) 이제위의 [(1)(2)(3)] 이니까, 세 그래프의 합집합()을 한 좌표평면에 합쳐서 그리면 됩니다. 아래 그림에서 파란색 꺽은선 그래프가 되지요?



   





직선의 방정식(3) 한점을 지나고 평행한 직선




한점을 지나고 평행한 직선
point-slope form of a line equation


"원점을 잡고 지나는 점까지
평행이동시키세요"
" grab & drag the line
from (0, 0) to the point "







일차함수의 그래프는 중고등 수학 전과정에서 다양하게 활용되는 매우 중요한 단원입니다.

문과 고등학생 중에도 직선의 그래프도 제대로 못 그려서 쩔쩔매는 경우를 자주 봅니다수학실력의 차이는함수와 그래프에서 비롯된다고 할 정도로 중요하니기초부터 확실하게 다져 두기 바랍니다.

문과라 하더라도고등과정의 다항함수의 미적분까지 공부하는 데 꼭 필요한 중요한 개념이니까 확실하게 이해해 두기 바랍니다.




               





기울기를 알고 한 점을 지나는 직선의 방정식을 구하는 방법에는 대표적으로 가지가 있습니다.


앞에서 배웠던 y ax 를 활용하는 방법이 가장 기초적이고 기본적인 방법이라면, 한 단계 높은 수준으로, 평행이동의 개념을 이용한 y – β (x – α의 방법이 있습니다.


어느 정도 실력이 갖추어진 학생이라면두 번째의 평행이동을 이용한 방법을 사용하는 것이 응용력의 향상에 도움이 됩니다그러면 하나씩 구체적으로 알아 보도록 할까요?





[ A ] 표준적인 ax 를 활용하는 방법 (slope-intercept form)


예를 들어기울기가 2 이고 점 (1, 4) 를 지나는 직선의 방정식은 어떻게 구할 수 있을까요?



(1) 앞에서 배웠던 대로직선의 방정식은 = (기울기) * + (절편라고 세우는 것이 가장 기초적인 표준 방법이라고 했었지요그런데기울기가 2 라고 했으니까우선 = 2라고 놓을 수 있습니다.


(2) 이 직선이 (1, 4) 를 지난다고 했으니까점의 좌표인 과 좌표인 4 를 각각 직선식의 x 좌표와 y 좌표의 자리에 대입하면 만족시켜야 합니다.


(3) 이제직선식에 이를 대입해서 b 값을 구하면,


4 = 2 * 1 + b

= 2

  = 2+ 2






[ B ] 평행이동 y – β (x – α를 활용하는 방법 (point-slope form)


이번에는평행 이동의 개념을 활용해서 직선의 방정식을 구하는 방법에 대해서 알아 보도록 합니다.

예를 들어y = (1 / 2)  평행하면서  = (2, 3)  지나는 직선의 방정식을 구해 보도록 할까요?


아래의 그림에서 보듯이 두 직선은 평행하니까우리가 식을 구하려는 파란색의 직선은

(1) 검은색의 직선 = (1 / 2) 위의 원점을 잡은 다음,

(2) 빨간색 점선을 따라 점 = (2, 3) 까지 평행이동을 시킨 것이라고 생각해도 되겠지요?


바로 이 원리를 이용하면아주 쉽게 파란색 직선의 방정식을 구해 낼 수 있습니다.





위에서 설명한 대로파란색의 직선은 검은색 직선 위의 원점 (0, 0) 을 빨간 점선을 따라오른쪽으로 만큼 그리고 동시에 위로 3 만큼 평행이동 것이니까검은색 직선의 식에서대신에 – 2 대신에 – 3 을 동시에  ) 대입하면 됩니다.



– 3(1 / 2) (– 2)

(1 / 2) – (1 / 2) * 2 + 3

  y = (1 / 2) + 2





이 평행이동을 활용한 방법은 중요하니까문자를 써서 정리해 볼까요?



기울기가 이고 (αβ 지나는 직선의 방정식은
y – β = m (– α)

  y = m (– α+ β 






공식도 정리했으니까확인 문제를 한 번 풀어 볼까요?




직선 y = (1 / 3)  수직이면서 (– 2, 8)  지나는 직선의 방정식을 구하여라. 




(1) 수직인 두 직선의 기울기는 서로 곱하면 – 1 이 된다는 것은 잘 알고 있겠지요따라서구하는 직선의 기울기는 – 3 이 됩니다.


(2) 이제기울기 = – 3 을 알아 냈고점 (– 2, 8) 을 지난다고 했으니까위에서 배운 공식을 그대로 적용하면,


– 8 – 3(– (– 2))

– 8 – 3+ 3 * (– 2)

 – 3– 6 + 8


  y = – 3+ 2





두 직선의 위치관계 Solution 12131

Solution  1 2131 1. 각기둥의 높이     두 면(밑면)이 서로 평행하고 합동인 다각형으로 이루어진 입체도형을 각기둥이라고 합니다.      밑면이 삼각형이면 삼각기둥 이라고 하 고,  두 밑면 사이의 (최단)거리를 높이 라고 하지요....