원
기하학 에서 원 (圓, 영어 : circle )은 평면 위의 한 점 에 이르는 거리 가 일정한 평면 위의 점들의 집합 으로 정의되는 도형이다. 이러한 점을 원의 중심 이라고 하고, 중심과 원 위의 점을 잇는 선분 또는 이들의 공통된 길이를 원의 반지름 이라고 한다.
원은 이차 곡선 의 일종인 타원 에서 이심률 이 0인 경우이다.
용어
현, 지름, 반지름, 할선, 접선
호, 활꼴, 부채꼴
원과 관련된 기본적인 용어들은 다음과 같다.
단위원 : 반지름이 1인 원
동심원 : 중심이 같은 두 원
반원 : 중심각이 평각 인 부채꼴(활꼴)
반지름 : 원의 중심과 그 원 위의 점 을 잇는 선분 또는 그 선분의 길이. 반지름의 길이는 지름의 2분의 1이다.
부채꼴 : 두 개의 반지름과 하나의 호로 둘러싸인 영역
사분원 : 중심각이 직각 인 부채꼴
원주 : 원의 둘레
원주각 : 한 끝점을 공유하는 두 현이 원 내부에서 이루는 각. 크기는 이에 대응하는 중심각의 1/2이다.
원판 : 원으로 둘러싸인 도형
원환 : 두 동심원 으로 둘러싸인 도형
접선 : 원과 한 점에서 만나는 직선
접현각 : 원의 현과 현의 한 끝점에서의 접선이 이루는 각
중심 : 원 위의 임의의 점에 이르는 거리가 일정한 그 원을 포함하는 평면 위의 점
중심각 : 호의 두 끝점을 지나는 반지름이 호와 같은 쪽에서 이루는 각. 크기는 이에 대응하는 원주각의 2배이다.
지름 : 원의 중심을 지나는 현 또는 그 길이. 길이는 반지름의 2배이다.
켤레호 : 원의 합하여 원주 전체를 이루는 두 호
할선 : 원과 두 점에서 만나는 직선
현 : 원 위의 두 점을 잇는 선분
호 : 원의 일부가 되는 곡선
활꼴 : 같은 끝점을 갖는 호와 현으로 둘러싸인 영역
시 : 할선의 중점을 수선의 발로 하는 선
역사
기원전 5세기 경 안티폰 은 정다각형 의 변 수를 계속 늘려가면 결국엔 원이 된다고 생각했다. 이에 15세기 독일의 신학자 니콜라우스 는 아무리 변을 늘려도 원이 될 수는 없다는 사상으로 반박했다.
해석적 성질
둘레와 넓이
원의 넓이는 색칠된 정사각형의 넓이의 π배이다.
반지름의 길이가
r
{\displaystyle r}
인 원은 무한히 작은 부채꼴들로 쪼개어 가로 길이
π π -->
r
{\displaystyle \pi r}
, 세로 길이
r
{\displaystyle r}
의 직사각형으로 만들 수 있다.
어떤 원의 반지름의 길이를
r
{\displaystyle r}
라고 하고, 지름의 길이를
d
{\displaystyle d}
라고 하면, 원의 둘레 는
C
=
2
π π -->
r
=
π π -->
d
{\displaystyle C=2\pi r=\pi d}
이다. 여기서
π π -->
{\displaystyle \pi }
는 원주율 이다. 이는 약 3.1415…를 값으로 하는 초월수 이다.
어떤 원의 반지름의 길이를
r
{\displaystyle r}
라고 하고, 지름의 길이를
d
{\displaystyle d}
라고 하고, 둘레를
C
{\displaystyle C}
라고 하면, 원(으로 둘러싸인 도형 )의 넓이 는
A
=
π π -->
r
2
=
π π -->
d
2
4
=
C
2
4
π π -->
{\displaystyle A=\pi r^{2}={\frac {\pi d^{2}}{4}}={\frac {C^{2}}{4\pi }}}
이다. 등주 부등식 에 따르면, 이는 둘레가
C
{\displaystyle C}
인 닫힌 곡선으로 둘러싸인 도형이 가질 수 있는 최대 넓이이다.
방정식
데카르트 좌표계
중심이 (2, 1) 이고 반지름이 3인 원
2차원 데카르트 좌표계 위의 중심이
(
a
,
b
)
{\displaystyle (a,b)}
이고 반지름이
r
{\displaystyle r}
인 원의 방정식은
(
x
− − -->
a
)
2
+
(
y
− − -->
b
)
2
=
r
2
{\displaystyle (x-a)^{2}+(y-b)^{2}=r^{2}}
이다.[ 1] :22, §3 이는 피타고라스 정리 를 통해 유도된다.
2차원 데카르트 좌표계 위의 원의 방정식의 일반적인 꼴은
x
2
+
y
2
+
d
x
+
e
y
+
f
=
0
{\displaystyle x^{2}+y^{2}+dx+ey+f=0}
이다. 단,
d
,
e
,
f
{\displaystyle d,e,f}
는 실수 이며,
d
2
+
e
2
− − -->
f
>
0
{\displaystyle d^{2}+e^{2}-f>0}
이어야 한다.[ 1] :23, §3.2 좌변은 반지름의 4배에 대응하며, '=0'일 경우 한원소 집합 이 되고, '<0'일 경우 공집합 이 된다.[ 1] :24, §3.2, Example 3.2
평면 위의 모든 원은 적절한 데카르트 좌표계를 취했을 때
x
2
+
y
2
=
r
2
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=r^{2}}
와 같은 표준적인 방정식으로 표현된다. 단,
r
>
0
{\displaystyle r>0}
이어야 한다. 이러한 꼴의 방정식을 얻으려면 원의 중심을 좌표계의 원점으로 삼기만 하면 된다.
2차원 데카르트 좌표계 위의 중심이
(
a
,
b
)
{\displaystyle (a,b)}
이고 반지름이
r
{\displaystyle r}
인 원은 다음과 같은 매개변수 방정식 을 갖는다.[ 1] :23, §3.2, (3.5)
x
=
a
+
r
cos
-->
t
y
=
b
+
r
sin
-->
t
(
0
≤ ≤ -->
t
<
2
π π -->
)
{\displaystyle {\begin{matrix}x=a+r\cos t\\y=b+r\sin t\end{matrix}}\qquad (0\leq t<2\pi )}
여기서
cos
,
sin
{\displaystyle \cos ,\sin }
은 각각 코사인 함수 와 사인 함수 이고,
t
{\displaystyle t}
는 매개 변수이다.
극좌표계
데카르트 좌표
(
x
,
y
)
{\displaystyle (x,y)}
대신 극좌표
(
r
,
θ θ -->
)
{\displaystyle (r,\theta )}
를 사용할 수도 있다. 즉, 극좌표계 위의 중심이
(
r
0
,
θ θ -->
0
)
{\displaystyle (r_{0},\theta _{0})}
이고 반지름이
R
{\displaystyle R}
인 원의 방정식은
r
2
− − -->
2
r
r
0
cos
-->
(
θ θ -->
− − -->
θ θ -->
0
)
+
r
0
2
=
R
2
{\displaystyle r^{2}-2rr_{0}\cos(\theta -\theta _{0})+r_{0}^{2}=R^{2}}
이다.
복소평면
데카르트 좌표나 극좌표를 복소수
z
{\displaystyle z}
로 대신하면, 원과 직선 의 통일된 방정식을 얻을 수 있다.
복소평면 위에서, 중심이
z
0
{\displaystyle z_{0}}
이고 반지름이
r
>
0
{\displaystyle r>0}
인 원의 방정식은
|
z
− − -->
z
0
|
=
r
{\displaystyle |z-z_{0}|=r}
이다. 여기서
|
⋅ ⋅ -->
|
{\displaystyle |\cdot |}
는 복소수의 절댓값 이다.
또한 복소평면 위의 원의 방정식의 일반적인 꼴은
A
z
z
¯ ¯ -->
+
B
¯ ¯ -->
z
+
B
z
¯ ¯ -->
+
C
=
0
{\displaystyle Az{\bar {z}}+{\bar {B}}z+B{\bar {z}}+C=0}
이다. 여기서
¯ ¯ -->
{\displaystyle {\bar {}}}
는 켤레 복소수 이다. 단,
A
,
C
{\displaystyle A,C}
는 실수 이고,
B
{\displaystyle B}
는 복소수이며,
|
B
|
2
− − -->
A
C
>
0
{\displaystyle |B|^{2}-AC>0}
A
≠ ≠ -->
0
{\displaystyle A\neq 0}
이어야 한다. 또한,
A
≠ ≠ -->
0
{\displaystyle A\neq 0}
대신
A
=
0
{\displaystyle A=0}
을 취하고 다른 조건을 그대로 두면 복소평면 위의 직선의 방정식의 일반적인 꼴을 얻는다. 즉,
A
≠ ≠ -->
0
{\displaystyle A\neq 0}
이라는 조건을 제거하고 다른 조건을 그대로 두면 일반화 원 의 방정식의 일반적인 꼴을 얻는다.
접선의 방정식
2차원 데카르트 좌표계 위에서, 원
(
x
− − -->
a
)
2
+
(
y
− − -->
b
)
2
=
r
2
{\displaystyle (x-a)^{2}+(y-b)^{2}=r^{2}}
의
(
x
0
,
y
0
)
{\displaystyle (x_{0},y_{0})}
을 접점으로 하는 접선 의 방정식은
(
x
0
− − -->
a
)
(
x
− − -->
a
)
+
(
y
0
− − -->
b
)
(
y
− − -->
b
)
=
r
2
{\displaystyle (x_{0}-a)(x-a)+(y_{0}-b)(y-b)=r^{2}}
이다.
원
(
x
− − -->
a
)
2
+
(
y
− − -->
b
)
2
=
r
2
{\displaystyle (x-a)^{2}+(y-b)^{2}=r^{2}}
의 기울기가
m
{\displaystyle m}
인 접선의 방정식은
y
− − -->
b
=
m
(
x
− − -->
a
)
± ± -->
r
m
2
+
1
{\displaystyle y-b=m(x-a)\pm r{\sqrt {m^{2}+1}}}
이다.
기하적 성질
대칭
원은 지름에 대한 반사 와 원의 중심에 대한 회전 에 대하여 대칭이다.[ 2] :227, §20.1, Theorem 20.3
즉, 원의 대칭군 은 2차원 직교군
O
-->
(
2
,
R
)
{\displaystyle \operatorname {O} (2,\mathbb {R} )}
이다.
임의의 두 원은 서로 중심 닮음 이며, 동심원 이 아닐 경우 두 원의 중심을 잇는 선분의 반지름의 비에 따른 내분점 및 외분점을 닮음 중심 으로 갖는다.[ 3] :19, §25
반지름의 길이가 같은 모든 원은 서로 합동 이다.[ 4] :23, §1F
공선점 이 아닌 세 점을 지나는 원은 항상 유일하게 존재한다.[ 4] :23, §1F, Theorem 1.15
즉, 모든 삼각형 의 외접원 은 유일하게 존재한다.
즉, 임의의 세 점을 지나는 일반화 원 은 항상 유일하게 존재한다.
호와 현
현의 수직 이등분선 은 원의 중심을 지난다.[ 2] :227, §20.1, Theorem 20.2
즉, 현에 수직인 지름은 현을 이등분한다.[ 2] :227, §20.1, Theorem 20.2
즉, 지름이 아닌 현을 이등분하는 지름은 현에 수직이다.[ 2] :227, §20.1, Theorem 20.2
지름은 원의 가장 긴 현이다.[ 4] :23, §1F
(방멱 정리 ) 원 위에 있지 않은 점
P
{\displaystyle P}
를 지나는 두 직선 가운데 하나는 원과 점
A
{\displaystyle A}
와
B
{\displaystyle B}
에서 만나고, 다른 하나는 원과 점
C
{\displaystyle C}
와
D
{\displaystyle D}
에서 만난다고 하면,
P
A
⋅ ⋅ -->
P
B
=
P
C
⋅ ⋅ -->
P
D
{\displaystyle PA\cdot PB=PC\cdot PD}
이다.[ 4] :47, §1H, Theorem 1.35
원 위의 점과 현 사이의 거리와 지름의 곱은 점과 현의 양 끝점 사이의 거리의 곱과 같다.[ 3] :71, §101
원과 직선의 위치 관계
평면 위의 원과 직선의 위치 관계는 원의 중심에서 직선까지의 거리
d
{\displaystyle d}
와 원의 반지름
r
{\displaystyle r}
의 대소 관계에 따라 다음과 같은 경우로 나뉜다.
만약
d
>
r
{\displaystyle d>r}
라면, 원과 직선은 만나지 않는다.
만약
d
=
r
{\displaystyle d=r}
라면, 원과 직선은 한 점에서 만난다. 즉, 직선은 원의 접선 이다.
만약
d
<
r
{\displaystyle d<r}
라면, 원과 직선은 두 점에서 만난다. 즉, 직선은 원의 할선 이다.
두 원의 위치 관계
두 원의 위치 관계는 두 원의 반지름
R
,
r
{\displaystyle R,r}
와 두 중심 사이의 거리
d
{\displaystyle d}
에 따라 다음과 같은 경우로 나뉜다.
만약
d
>
R
+
r
{\displaystyle d>R+r}
이거나
d
<
|
R
− − -->
r
|
{\displaystyle d<|R-r|}
라면, 두 원은 만나지 않는다.
만약
d
>
R
+
r
{\displaystyle d>R+r}
라면, 두 원은 서로의 외부에 놓이며, 교점을 가지지 않는다.
만약
d
<
|
R
− − -->
r
|
{\displaystyle d<|R-r|}
라면, 작은 원은 큰 원의 내부에 놓이며, 교점을 가지지 않는다.
만약
d
=
R
+
r
{\displaystyle d=R+r}
이거나
d
=
|
R
− − -->
r
|
{\displaystyle d=|R-r|}
라면, 두 원은 한 점에서 만난다. 즉, 두 원은 서로 접한다.
만약
d
=
R
+
r
{\displaystyle d=R+r}
라면, 두 원은 서로의 외부에서 접한다. 즉, 두 원은 외접한다.
만약
d
=
|
R
− − -->
r
|
{\displaystyle d=|R-r|}
라면, 작은 원이 큰 원의 내부에서 큰 원에 접한다. 즉, 두 원은 내접한다.
만약
|
R
− − -->
r
|
<
d
<
R
+
r
{\displaystyle |R-r|<d<R+r}
라면, 두 원은 두 점에서 만난다.
중심각과 원주각
주어진 호에 대한 원주각 의 크기는 그 호에 대한 중심각 의 1/2이다.[ 4] :25, §1F, Theorem 1.16
같은 호에 대한 두 원주각의 크기는 서로 같다.[ 4] :25, §1F
켤레호 에 대한 두 중심각은 서로 보각 이다.
즉, 내접 사각형 의 두 대각은 서로 보각 이다.[ 4] :26, §1F, Corollary 1.17
즉, 내접 사각형의 외각의 크기는 내대각 과 같다.
(탈레스 정리 ) 지름에 대한 원주각은 직각이다.
즉, 삼각형의 외심 이 변 위에 있을 필요충분조건은 직각 삼각형 이다.[ 4] :30, §1F, Corollary 1.22
원의 두 현이 원 내부에서 이루는 각의 크기는 이 각과 맞꼭지각 의 내부에 포함되는 두 호에 대한 중심각의 합의 1/2이다.[ 4] :27, §1F, Corollary 1.19
원의 두 할선이 원 외부에서 이루는 각의 크기는 이 각의 내부에 포함되는 두 호에 대한 중심각의 차의 1/2이다.[ 4] :27, §1F, Corollary 1.18
접선
원 위의 한 점을 지나는 원의 접선은 유일하게 존재하고, 이는 이 점을 지나는 반지름에 수직이다.[ 2] :228, §20.1, Theorem 20.4 [ 4] :30-31, §1F
즉, 반지름의 반지름 끝점에서의 수선은 원에 접한다.[ 2] :228, §20.1, Theorem 20.4
즉, 원의 접선의 접점에서의 수선은 원의 중심을 지난다.
원 외부의 한 점을 지나는 원의 접선은 정확히 2개이고, 이 점과 두 접점 사이의 거리는 같으며, 두 접선이 이루는 각과 두 접점을 지나는 반지름이 이루는 각은 서로 보각이다.
원의 접현각 의 크기는 현을 기준으로 이와 같은 쪽에 있는 호에 대한 중심각의 1/2이다.[ 4] :31, §1F, Theorem 1.23
원의 접선과 할선이 원 외부에서 이루는 각은 각의 내부에 포함된 두 호의 중심각의 차의 1/2이다.[ 4] :31, §1F, Corollary 1.24
외접하는 두 원의 교점을 지나는 두 공통 할선 사이의 두 현은 서로 평행 한다.[ 4] :31, §1F, Problem 1.25
(접선에 대한 방멱 정리 )원 외부의 점
P
{\displaystyle P}
를 지나는 두 직선 가운데 하나는 원과
A
{\displaystyle A}
와
B
{\displaystyle B}
에서 만나고, 하나는 원에 점
T
{\displaystyle T}
에서 접한다고 하면,
P
A
⋅ ⋅ -->
P
B
=
P
T
2
{\displaystyle PA\cdot PB=PT^{2}}
이다.
원의 직교
두 원의 교점에서의 두 접선이 서로 수직 일 경우 두 원이 서로 직교 한다고 한다.[ 3] :33, §48
두 원의 반지름이
r
,
r
′
{\displaystyle r,r'}
이고, 두 중심 사이의 거리가
d
{\displaystyle d}
라고 할 때, 두 원이 서로 직교할 필요충분조건은
r
2
+
r
′
2
=
d
2
{\displaystyle r^{2}+{r'}^{2}=d^{2}}
이다.[ 3] :34, §48
주어진 원에 직교하고 중심이 원 외부의 주어진 점인 원은 유일하게 존재한다.[ 3] :34, §48
주어진 원에 직교하고 원의 지름이 아닌 현의 두 끝점을 지나는 원은 유일하게 존재한다.[ 3] :34, §48
작도
공선점이 아닌 세 점을 지나는 원
공선점이 아닌 세 점
A
,
B
,
C
{\displaystyle A,B,C}
를 지나는 원은 컴퍼스와 자를 사용하여 다음과 같이 작도 할 수 있다.
선분
A
B
{\displaystyle AB}
의 수직 이등분선 을 그린다.
선분
B
C
{\displaystyle BC}
의 수직 이등분선을 그린다.
선분
A
B
{\displaystyle AB}
와
B
C
{\displaystyle BC}
의 교점
O
{\displaystyle O}
를 취한다.
점
O
{\displaystyle O}
를 중심으로 하고 선분
O
A
{\displaystyle OA}
를 반지름으로 하는 원을 그린다. 이 경우 원은 점
A
,
B
,
C
{\displaystyle A,B,C}
를 지난다.
원의 중심
주어진 원의 중심은 컴퍼스와 자를 사용하여 다음과 같이 작도할 수 있다.
원 위의 두 점
A
,
B
{\displaystyle A,B}
을 취한다.
선분
A
B
{\displaystyle AB}
의 점
B
{\displaystyle B}
에서의 수선
B
P
{\displaystyle BP}
를 그린다.
직선
B
P
{\displaystyle BP}
와 원의 교점
C
{\displaystyle C}
를 취한다. 이 경우 선분
A
C
{\displaystyle AC}
는 원의 지름이다.
또 다른 지름
A
′
C
′
{\displaystyle A'C'}
을 작도한다.
선분
A
C
{\displaystyle AC}
와
A
′
C
′
{\displaystyle A'C'}
의 교점
O
{\displaystyle O}
를 취한다. 이 경우 점
O
{\displaystyle O}
는 원의 중심이다.
원적 문제
원적 문제 는 주어진 원과 넓이가 같은 정사각형을 컴퍼스와 자로 작도하는 문제를 일컫는다. 이는 원주율
π π -->
{\displaystyle \pi }
가 초월수 이므로 불가능하다.
기타 관련 주제
내접원, 외접원, 방접원
모든 삼각형은 유일한 내접원 및 외접원 과 정확히 3개의 방접원 을 갖는다. 그러나, 일반적으로 다각형 은 내접원이나 외접원을 가질 필요가 없다. 어떤 다각형이 모든 변에 접하는 원을 가질 경우, 이 다각형을 외접 다각형 이라고 한다. 어떤 다각형이 모든 꼭짓점을 지나는 원을 가질 경우, 이 다각형을 내접 다각형 이라고 한다. 동시에 외접 다각형이며 내접 다각형인 다각형을 이중중심 다각형 이라고 한다. 예를 들어, 모든 삼각형과 모든 정다각형 은 이중중심 다각형이다.
주어진 원의 내접
n
{\displaystyle n}
각형 가운데 넓이가 가장 큰 것은 정
n
{\displaystyle n}
각형이다.[ 4] :35, §1G
문학
에드윈 A. 애보트의 공상 수학 소설 《플랫랜드 》에서는 원이 성직자 로 출현하며, 평면도형들 중 가장 고귀한 계급으로 여겨진다.
같이 보기
각주
↑ 가 나 다 라 Gibson, C. G. (2003). 《Elementary Euclidean geometry》 (영어). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83448-3 .
↑ 가 나 다 라 마 바 Martin, George E. (1975). 《The Foundations of Geometry and the Non-Euclidean Plane》. Undergraduate Texts in Mathematics (영어). New York, NY: Springer. doi :10.1007/978-1-4612-5725-7 . ISBN 978-1-4612-5727-1 .
↑ 가 나 다 라 마 바 Johnson, Roger A. (1960) [1929]. 《Advanced Euclidean Geometry》 (영어). New York, N. Y.: Dover Publications.
↑ 가 나 다 라 마 바 사 아 자 차 카 타 파 하 거 Isaacs, I. Martin (2001). 《Geometry for College Students》. The Brooks/Cole Series in Advanced Mathematics (영어). Brooks/Cole. ISBN 0-534-35179-4 .
외부 링크
위키미디어 공용에 원 관련 미디어 분류가 있습니다.