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곡선과 곡면: 곡선을 돌려 곡면 만들기

곡선은 어떤 규칙을 따라 움직이는 점들이 그리는 길입니다. 곡선을 축 둘레로 한 바퀴 돌리면 곡면이 만들어집니다. 비스듬한 직선은 원뿔, 포물선은 그릇 모양의 포물면, 쌍곡선은 냉각탑 모양의 쌍곡면이 됩니다. 어떤 높이에서 곡면을 자르면 곡선이 정해 주는 반지름의 원이 나옵니다.

🎬 단계별 이야기

  1. 곡선은 규칙을 따르는 점들이 그리는 길입니다. 여기서 빨간 곡선은 똑바로 선 평범한 직선이고, 한 평면 위에 납작하게 그려져 있습니다.
  2. 곡선을 회색 축 둘레로 돌려 보세요. 점 하나하나가 원을 그리고, 그 원들이 모여 곡면이 됩니다. 수직선을 돌리면 원기둥이 됩니다.
  3. 직선을 축에서 멀어지도록 기울여 보세요. 다시 돌리면 원뿔이 됩니다. 자르면 높이가 올라갈수록 커지는 원이 나옵니다.
  4. 직선 대신 포물선을 놓아 보세요. 돌리면 그릇 모양이 됩니다. 위성 안테나와 손전등 반사경이 이 모양입니다.
  5. 포물선 대신 쌍곡선을 놓아 보세요. 돌리면 냉각탑이 됩니다. 가운데는 가늘고 양쪽 끝은 넓습니다.
  6. 자유롭게 놀아 보세요. 모양 슬라이더를 움직인 다음 원하는 높이에서 잘라 보세요. 주황색 고리가 단면의 원과 반지름을 보여 줍니다.

팁: 3D 화면을 드래그하면 돌아가요. 두 손가락으로 확대할 수 있어요.

🤔 헷갈리는 점, 한 번에 해결

납작한 곡선이 왜 3D 곡면이 되나요?

돌리면 곡선에 두 번째 방향이 생깁니다. 점 하나하나가 원을 그리며 돌고, 그 많은 원이 3D 공간에서 껍질을 채웁니다.

원뿔은 곡면인데 정말 직선으로 이루어져 있나요?

네. 모선이 직선이고, 돌려도 비스듬한 방향의 모든 선은 곧게 남습니다. 굽은 것은 원들뿐입니다.

위성 안테나는 왜 포물선 모양인가요?

포물선 모양의 그릇은 평행하게 들어온 신호를 한 점, 즉 초점으로 모아 줍니다. 그래서 안테나와 손전등 반사경에 쓰입니다.

탑은 왜 가운데가 가늘까요?

쌍곡선 모선은 가운데에서 축과 가장 가깝고 양쪽으로 갈수록 멀어집니다. 돌리면 좁은 허리가 생깁니다.

단면의 반지름은 어떻게 구하나요?

높이를 r(y)에 넣으면 됩니다. 자유 놀이에서 단면 높이를 움직이며 반지름 표시를 읽어 보세요.

곡선: 직선, 원뿔곡선, 매개변수로 나타낸 길

곡선은 움직이는 점이 지나간 길입니다. 원, 타원, 포물선, 쌍곡선을 네 가지 원뿔곡선이라고 부릅니다. 평평한 평면으로 원뿔을 기울기를 바꿔 가며 자를 때 나타나기 때문입니다. 수평으로 자르면 원, 조금 기울이면 타원, 옆면의 기울기와 평행하게 자르면 포물선, 두 쪽으로 된 원뿔의 양쪽을 모두 가르도록 가파르게 자르면 쌍곡선이 나옵니다. 방정식은 원뿔곡선에서 볼 수 있습니다.

곡선은 매개변수로도 나타낼 수 있습니다. x = f(t), y = g(t)처럼 쓰는 것입니다. 예를 들어 x = cos t, y = sin t는 t가 0에서 2π까지 변할 때 원을 그립니다. 이 아이디어는 매개변수 방정식에서 다룹니다.

작도: 정확하게 그리기

작도는 눈금 없는 자(직선자)와 컴퍼스만으로 도형을 그리는 것입니다. 각을 이등분하고, 수직이등분선을 긋고, 각을 옮겨 그리고, 정삼각형을 만들 수 있습니다. 모든 단계는 원 위의 모든 점이 중심에서 같은 거리에 있다는 사실을 이용합니다. 자세한 내용은 기하 작도에 있습니다.

여기서 왜 중요할까요? 컴퓨터가 없던 오래전에는 작도로 겉모양 곡선과 곡면의 단면을 그렸기 때문입니다.

회전면

곡면은 3D 공간에 있는 얇은 껍질로, 그 위에서 두 방향으로 움직일 수 있습니다. 회전면은 모선 곡선을 축이라는 직선 둘레로 돌려서 만듭니다. 높이 y에서 모선이 축으로부터 r(y)만큼 떨어져 있다면, 곡면 위의 모든 점은 x² + z² = r(y)²을 만족합니다.

축을 세운 경우의 예: 수직선 r = 상수는 원기둥, 비스듬한 직선 r = k|y|는 원뿔, 포물선은 포물면(그릇), 쌍곡선은 쌍곡면(냉각탑)이 됩니다.

곡면 자르기 (단면)

높이 y에서 평평한 평면으로 곡면을 잘라 보세요. 회전면을 축에 가로로 자르면 언제나 반지름이 r(y)인 원이 나옵니다. 그 넓이는 πr²입니다. 축을 따라 세로로 자르면 모선 곡선 자체가 보입니다.

같은 요령은 어떤 입체에도 통합니다. 곡면을 이해하려면 잘라서 나오는 곡선을 살펴보세요.

핵심 공식과 정의

풀이 예제

1. 축에서 3 cm 떨어진 수직선을 축 둘레로 돌립니다. 곡면의 이름과 단면의 반지름을 구하세요.

모선은 r = 3으로 일정하므로 곡면은 원기둥입니다. 모든 단면은 반지름 3 cm인 원입니다.

2. 원뿔이 r(y) = 0.5y입니다. y = 4에서 단면의 반지름을 구하세요.

r = 0.5 × 4 = 2입니다. 단면은 반지름 2인 원입니다.

3. 원뿔 r = 0.5y에서 y = 4일 때 단면의 넓이를 구하세요.

넓이 = π r² = π × 2² = 4π ≈ 12.57 제곱단위입니다.

4. 탑의 반지름이 r(y) = √(1 + y²)이고 y는 가운데에서부터 잰 높이입니다. 가장 잘록한 곳(허리)과 y = 3에서의 반지름을 구하세요.

y = 0에서 r = √1 = 1이고, 여기가 가장 좁은 허리입니다. y = 3에서는 r = √(1 + 9) = √10 ≈ 3.16입니다. 끝으로 갈수록 넓어집니다.

5. 평면이 원뿔의 옆면과 평행하게 원뿔을 자릅니다. 어떤 원뿔곡선이 나올까요?

포물선입니다. 수평으로 자르면 원, 조금 기울이면 타원, 옆면과 평행하게 자르면 포물선, 양쪽을 모두 가르도록 가파르게 자르면 쌍곡선이 나옵니다.

자주 하는 실수

연습 퀴즈

1. 곧은 수직선을 축 둘레로 돌리면 만들어지는 것은?
2. 회전면을 축에 가로로 자른 단면은 언제나 무엇일까요?
3. 포물선을 자기 축 둘레로 돌리면 만들어지는 것은?
4. 가운데는 가늘고 양쪽 끝은 넓은 곡면은 어느 것일까요?
5. 평면이 두 쪽 원뿔을 옆면과 정확히 평행하게 자릅니다. 나오는 모양은?

연습: 직접 풀어 보세요

답을 입력하거나 고른 뒤 확인을 누르세요. 막히면 힌트를 보세요. 풀이는 답을 낸 뒤에 나타나요.

자주 묻는 질문

회전면이란 무엇인가요?

곡선을 직선 둘레로 돌려서 만든 곡면입니다. 원기둥, 원뿔, 그릇, 꽃병이 모두 예입니다.

원뿔곡선은 왜 원뿔곡선이라고 부르나요?

평평한 평면으로 원뿔을 자를 때 기울기에 따라 원, 타원, 포물선, 쌍곡선이 하나씩 나타나기 때문입니다.

이 내용을 배우려면 미적분이 필요한가요?

아니요. 거리와 원만 알면 됩니다. 이 곡면들의 정확한 넓이와 부피는 나중에 미적분으로 구하게 됩니다.

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