공간도형과 공간좌표

평면에서 다루던 도형을 공간으로 옮기면 생각할 것이 늘어난다. 두 직선이 만나지 않는데 평행하지도 않은 경우가 생기고, 직선과 평면, 평면과 평면 사이의 관계도 따져야 한다. 이 단원에서는 공간에서의 위치 관계를 정리하고, 도형을 평면에 비추어 보는 정사영과 좌표를 이용한 계산까지 다룬다.

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개념 정리

먼저 위치 관계다. 공간에서 서로 다른 두 직선은 한 점에서 만나거나, 평행하거나, 만나지도 않고 평행하지도 않은 꼬인 위치에 있다. 세 번째 경우가 평면에는 없던 것이다. 직선과 평면은 만나지 않거나, 한 점에서 만나거나, 직선이 평면에 포함된다. 서로 다른 두 평면은 만나지 않거나 한 직선에서 만나며, 이 직선을 교선이라 한다.
수직 관계는 조건을 정확히 알아야 한다. 직선이 평면과 수직이려면 그 평면 위에서 교점을 지나는 서로 다른 두 직선과 각각 수직이어야 한다. 한 직선과만 수직인 것으로는 부족하다. 서로 만나는 두 평면이 이루는 각은 교선 위의 한 점에서 교선에 수직으로 각 평면에 그은 두 직선이 이루는 각으로 정하고 이를 이면각의 크기라 하며, 이 각이 직각이면 두 평면은 수직이다.
이 수직 관계를 정리한 것이 삼수선 정리다. 평면 밖의 한 점에서 평면에 수선을 내리고, 그 수선의 발에서 평면 위의 직선에 다시 수선을 내리면 세 직선 사이에 수직 관계가 생긴다. 이때 어떤 수직 관계가 주어졌는지에 따라 나머지 수직 관계를 판단할 수 있다는 것이 정리의 내용이며, 주어진 관계에 따라 쓰는 형태가 달라진다. 문제를 풀 때는 어느 점에서 어디에 수선을 내렸는지를 그림에 표시하는 것이 첫 단계다.
도형을 평면에 수직으로 비춘 것을 정사영이라 한다. 선분의 정사영의 길이는 원래 길이에 그 선분과 평면이 이루는 각의 코사인을 곱한 값이고, 도형의 정사영의 넓이는 원래 넓이에 두 평면이 이루는 각의 코사인을 곱한 값이다. 길이를 사영할 때와 넓이를 사영할 때 쓰는 각이 다르다는 점을 기억해야 한다. 코사인을 곱하므로 길이나 넓이가 00이 아닌 도형의 정사영은 원래보다 짧거나 작고, 원래와 같아지는 것은 그 도형이 비추는 평면과 평행할 때다.
좌표를 도입하면 계산으로 해결할 수 있다. 공간의 점은 세 실수의 순서쌍 (x, y, z)(x,\ y,\ z)로 나타낸다. 두 점 사이의 거리는 세 성분의 차를 각각 제곱해 더한 뒤 제곱근을 취해 구한다. 곧 (x2−x1)2+(y2−y1)2+(z2−z1)2\sqrt{(x_2-x_1)^2+(y_2-y_1)^2+(z_2-z_1)^2}다. 선분의 내분점도 마찬가지로 확장된다. 두 점 A(x1, y1, z1)\mathrm{A}(x_1,\ y_1,\ z_1)과 B(x2, y2, z2)\mathrm{B}(x_2,\ y_2,\ z_2)를 잇는 선분을 m:nm:n으로 내분하는 점은 (mx2+nx1m+n, my2+ny1m+n, mz2+nz1m+n)\left(\frac{mx_2+nx_1}{m+n},\ \frac{my_2+ny_1}{m+n},\ \frac{mz_2+nz_1}{m+n}\right)이다. 평면에서 쓰던 식에 성분이 하나 늘었을 뿐이다.
중심이 (a, b, c)(a,\ b,\ c)이고 반지름이 rr인 구의 방정식은 (x−a)2+(y−b)2+(z−c)2=r2(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2=r^2다. 중심에서의 거리가 일정하다는 조건을 그대로 옮긴 식이다. 식에서 중심을 읽을 때는 괄호 안의 부호를 반대로 읽어야 한다. 이 단원의 내용은 벡터로 공간을 다루는 다음 단원으로 이어지고, 거기서 평면의 방정식과 구의 방정식을 벡터로 다시 나타내게 된다.

자주 하는 착각

직선과 평면의 위치 관계

  1. 공간에서 두 직선이 만나지 않으면 평행하다고 본다. 평면에서의 경험을 그대로 옮기기 때문이다. 공간에서는 만나지도 않고 평행하지도 않은 꼬인 위치가 있다. 두 직선이 한 평면 위에 있는지부터 확인해야 한다.
  2. 한 직선이 평면 위의 어떤 직선과 수직이면 그 평면과 수직이라고 본다. 수직인 관계를 하나만 확인하기 때문이다. 직선이 평면과 수직이려면 그 평면 위에서 교점을 지나는 서로 다른 두 직선과 각각 수직이어야 한다. 한 직선과만 수직인 경우는 그렇지 않다.
  3. 두 평면이 만나지 않으면 그 사이의 모든 직선이 평행하다고 본다. 평행한 두 평면을 떠올리기 때문이다. 두 평면이 평행해도 각 평면 위의 두 직선은 꼬인 위치에 있을 수 있다. 평면의 관계와 직선의 관계는 따로 따져야 한다.

삼수선의 정리와 정사영

  1. 삼수선 정리를 세 수직 관계 가운데 아무 둘만 알면 나머지가 따라오는 것으로 본다. 관계의 개수만 세기 때문이다. 어떤 수직 관계가 주어졌는지에 따라 쓰는 형태가 달라지므로, 평면 밖의 점에서 평면에 내린 수선의 발과 그 발에서 평면 위의 직선에 내린 수선의 발을 그림에 표시해 어떤 관계가 주어졌는지 확인해야 한다.
  2. 정사영의 길이가 원래 길이와 같다고 본다. 그림자가 같은 크기로 생긴다고 생각하기 때문이다. 정사영의 길이는 원래 길이에 두 직선이 이루는 각의 코사인을 곱한 값이므로 원래보다 짧거나 같다.
  3. 도형의 정사영의 넓이를 구할 때 길이의 관계를 그대로 쓴다. 길이와 넓이를 같은 방식으로 보기 때문이다. 넓이의 정사영은 원래 넓이에 두 평면이 이루는 각의 코사인을 곱한 값이다. 무엇을 사영하는지에 따라 쓰는 각이 다르다.
  4. 두 평면이 이루는 각을 아무 두 직선의 각으로 잡는다. 평면끼리 각을 재는 방법을 정하지 않았기 때문이다. 서로 만나는 두 평면이 이루는 각은 교선 위의 한 점에서 교선에 수직으로 각 평면에 그은 두 직선이 이루는 각이며, 이를 이면각의 크기라 한다.

공간좌표

  1. 두 점 사이의 거리를 구할 때 한 성분을 빠뜨린다. 평면에서 쓰던 식을 그대로 옮기기 때문이다. 공간에서는 x, y, z 세 성분의 차를 각각 제곱해 더한 뒤 제곱근을 취한다.
  2. 구의 방정식에서 중심의 좌표와 부호를 뒤바꾼다. 식에 보이는 수를 그대로 읽기 때문이다. 각 괄호 안의 부호를 반대로 읽어야 중심의 좌표가 된다. 반지름은 우변의 제곱근이다.
  3. 좌표공간에서 선분의 내분점을 구할 때 성분 하나를 빠뜨리거나 대입 순서를 뒤바꾼다. 평면에서 쓰던 식을 그대로 옮기기 때문이다. 세 성분 모두에 같은 방식으로 내분하는 식을 적용해야 하며, 어느 점이 앞이고 어느 비가 어느 점에 곱해지는지를 맞추어야 한다.

이런 오개념, 나도 갖고 있을까?

공간에서 두 직선이 만나지 않으면 항상 평행한 위치에 있다.정답 보기

X (흔한 오개념이에요)

평면에서는 두 직선이 만나지 않으면 반드시 평행하기 때문에, 공간에서도 같은 규칙이 적용된다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 공간에서 두 직선이 만나지도 않고 평행하지도 않은 꼬인 위치라는 경우가 따로 존재해요. 두 직선이 평행한지 꼬인 위치인지 판단하려면, 먼저 두 직선이 한 평면 위에 놓일 수 있는지를 확인하는 것이 필요해요.
한 직선이 평면과 수직이려면, 그 평면 위에서 교점을 지나는 서로 다른 두 직선과 각각 수직이어야 한다.정답 보기

O (맞는 설명이에요)

수직 관계를 한 번만 확인해도 충분하다고 생각하기 쉬워요. 그러나 실제로는 평면 위의 직선 하나와 수직이더라도, 그 직선과 같은 평면 안에서 교점을 지나는 또 다른 직선에 대해서는 수직이 아닐 수 있어요. 직선이 평면과 수직임을 확인하려면, 교점을 지나는 서로 다른 두 직선과 각각 수직인지를 반드시 확인해야 해요.
두 평면이 평행하면, 각 평면 위에 있는 임의의 두 직선도 반드시 평행하다.정답 보기

X (흔한 오개념이에요)

평행한 두 평면을 보면 전체적으로 '서로 만나지 않는다'는 인상이 강해서, 그 위의 직선들도 모두 같은 방향으로 나란할 것이라고 생각하기 쉬워요. 하지만 평면의 관계와 그 평면 위 직선들의 관계는 별개로 따져야 해요. 실제로는 두 평면이 평행해도 각 평면 위의 직선이 서로 다른 방향을 향하고 있으면, 두 직선은 만나지도 않고 평행하지도 않은 꼬인 위치에 있을 수 있어요.

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