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구면삼각형

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1. 개요2. 성질3. 공식
3.1. 구면직각삼각형의 공식3.2. 구면삼각형의 사인 법칙3.3. 구면삼각형의 코사인 법칙

1. 개요

· spherical triangle

구면 위에 그려진 삼각형을 말한다. 비유클리드 기하학에서 가장 많이 다루어지는 도형인데, 지구[1]라는 현실적 대상과 매우 밀접하기 때문.

2. 성질

[math(\displaystyle \iint_M k dM+\int_{\partial M}x_g dS+(n\pi-\sum_{i=1}^n \theta_i)=2\pi\chi(M))]
여기서 구면의 측지곡률([math(x_g)])은 0. 다각형의 오일러 지표는 1이므로 위의 식은 다음과 같이 바꿀 수 있다.
[math(\displaystyle \iint_M k dM+(n\pi-\sum_{i=1}^n \theta_i)=2\pi)]
정리하면 다음과 같다.
[math(\displaystyle \iint_M k dM=\sum_{i=1}^n \theta_i+(2-n)\pi)]
그런데, 구면에서의 가우스 곡률 [math(K)]은 구면의 반지름이 [math(r))]일 때 [math(\displaystyle \frac{1}{r^2})]이므로 대입하면
[math(\displaystyle \iint_M \frac{1}{r^2} dM=\sum_{i=1}^n \theta_i+(2-n)\pi)]
[math(r)]은 상수이므로
[math(\displaystyle \frac{1}{r^2}\iint_M dM=\sum_{i=1}^n \theta_i+(2-n)\pi)]
즉 다각형의 넓이를 [math(S)]라고 하면
[math(\displaystyle \frac{1}{r^2}\iint_M dM=\frac{S}{r^2}=\sum_{i=1}^n \theta_i+(2-n)\pi)]
양 변에 [math(r^2)]을 곱해 정리하면
[math(\displaystyle S=r^2\left\{\sum_{i=1}^n \theta_i+(2-n)\pi\right\})]
이것이 구면에서의 다각형의 넓이를 구하는 공식이다.
구해야 할 것은 삼각형이므로 [math(n=3)]을 대입하면 증명하고자 하는 공식이 나온다.
즉 [math(\displaystyle S=r^2\left\{\sum_{n=1}^3 \theta_n-\pi\right\})] ||
여기서 자명하게 다음 성질이 성립한다.
* 삼각형의 넓이는 단위구 기준 내각의 합에서 [math(\pi)]를 뺀 값이다.[3]
* 각 변의 길이를 모두 더한 값의 절반보다 넓이가 항상 크다.
* 내각의 합은 [math(\pi)]보다 크다.[4][5]
* 모든 변이 같으나 한 각이 [math(\dfrac{\pi}{3})]보다 큰 임의의 각을 갖는 '정삼각형'이 존재한다. 그 가운데 모든 각이 직각인 정삼각형은 구면을 정확히 8등분해서 얻을 수 있으며 정팔면체가 만들어진다. 120도인 삼각형은 정사면체이며 72도인 삼각형은 정이십면체이다.
* 오목삼각형이 존재한다. 즉 한 각의 크기가 [math(\pi)]를 초과할 수 있다.
* 삼각형의 내각의 합은 [math(3\pi)]보다 작다. 내각의 합이 [math(3\pi)]가 되는 경우에도 위상기하학적으로는 삼각형이다. 커지는 경우는 [math(5\pi)]까지 가능하지만 [math(3\pi)]를 초과한 경우 구의 표면적을 절반 초과 덮게 된다.
* 외접원, 내접원, 방접원은 구의 단면이다.
* 최소 3개의 수심을 갖는다. 하나 이상의 각이 직각인 삼각형은 수심이 4개이다.

3. 공식

3.1. 구면직각삼각형의 공식

빗변의 길이가 [math(c)]( 라디안)인 경우.
[math(\cos c=\cos a\cos b)]

[math(\sin A= \dfrac{\sin a}{\sin c} , \cos A=\dfrac{\tan b}{\tan c} , \tan A=\dfrac{\tan a}{\sin b} )]

[math(\cos A)]를 기술하는 항에서 [math(c=\dfrac{\pi}{2})]일 경우, 로피탈의 정리를 취해 [math(\dfrac{\sec^2b}{\sec^2c}=\dfrac{\cos^2c}{\cos^2b})]로 계산해야 한다.

3.2. 구면삼각형의 사인 법칙

[math( \dfrac{\sin a}{\sin A}=\dfrac{\sin b}{\sin B}=\dfrac{\sin c}{\sin C} )]

3.3. 구면삼각형의 코사인 법칙



[1] 엄밀히 말하자면, 지구는 자전으로 인해 완벽한 구형이 아니라 구형에 매우 가까운 타원면이다. [2] 3차원상의 콤팩트한 2차원 곡면에서 해당 곡면의 가우스 곡률 [math(K)]와 측지곡률 [math(x_g)], 그리고 해당 곡면의 오일러 지표[math(\chi(M))]에 대하여 성립하는 상관관계를 서술한 정리다. 가우스 곡률을 면 전체에 대해서 중적분하고 측지곡률을 측지선에 따라 선적분한 값을 합치고, 여기에 다각형의 외각의 합을 더하면 해당 곡면의 오일러 지표의 [math(2\pi)]배가 나온다. [3] 단위구의 표면적은 [math(4\pi)]이므로 위의 식에 대입하면 자명한 결과다. [4] 구면삼각형은 모든 각이 직각일 수 있음을 많이 접해봤을 것이다. [5] 상술했듯이 구면을 평면으로 근사시킬 수 있을 정도로 작은 공간, 혹은 구면의 곡률이 0에 근사될 정도로 큰 구 위에서 그려진 삼각형이라면 [math(\pi)]에 한없이 근접한다.