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최근 수정 시각 : 2022-06-04 09:37:43

사인 법칙

평면기하학
Plane Geometry
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1. 개요2. 증명
2.1. 원주각을 이용한 증명2.2. 벡터곱을 이용한 증명
3. 활용4. 비유클리드 기하학에서5. 관련 항목

1. 개요

sine law

2009 개정 교육과정에서 빠졌다가[1], 2015 개정 교육과정에 따라 고등학교 2학년 때 배우게 되는, 평면기하학의 공식 중 하나.

삼각형에서 변의 길이와 각의 크기를 알 때, 나머지 모르는 변의 길이와 각의 크기를 삼각함수를 이용해서 구할 수 있게 해준다. 자세한 내용은 아래와 같다.
[math(\triangle{\mathrm{ABC}})]의 세 각의 크기 [math(A)], [math(B)], [math(C)], 대변의 길이 [math(a)], [math(b)], [math(c)], 그리고, 외접원의 반지름 길이 [math(R)]에 대해 다음이 성립한다.

[math( \displaystyle \frac{a}{\sin{A}}=\frac{b}{\sin{B}}=\frac{c}{\sin{C}}=2R )]

한편, [math((\sin x)^{-1} = \csc x)]가 성립하므로 다음과 같이 쓸 수도 있다.

[math( \displaystyle a \csc A = b \csc B = c \csc C =2R )]


2. 증명

2.1. 원주각을 이용한 증명

[math(\triangle \mathrm{ABC})]의 외접원의 중심을 [math(\mathrm{O})]라 하고, [math(\overline{\mathrm{BO}})]의 연장선이 원과 만나는 점을 [math(\mathrm{A'})]라 하자. 그렇게 하면, [math(\overline{\mathrm{BA'}})]은 외접원의 지름이므로, [math(\overline{\mathrm{BA'}}=2R)]가 된다. 또한,

[math(\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=a\qquad \qquad \overline{\mathrm{AC}}=b \qquad \qquad \overline{\mathrm{AB}}=c)]

임을 참고하라.

(ⅰ) [math(\triangle \mathrm{ABC})]가 예각 삼각형일 때

파일:사인법칙_증명_예각.png

위 그림에서 원주각의 성질에 따라

[math(\displaystyle \angle{A}=\angle{A'} )]

이고,

[math(\displaystyle \angle{\mathrm{BCA'}}=90\degree )]

이다. 따라서

[math(\displaystyle \sin{A}=\sin{A'}=\frac{a}{2R} )]

이고 이것을 정리하면,

[math(\displaystyle \frac{a}{\sin{A}}=2R )]

가 얻어진다.


(ⅱ) [math(\triangle \mathrm{ABC})]가 둔각 삼각형일 때

파일:사인법칙_증명_둔각.png

위 그림에서 원주각의 성질에 따라

[math(\displaystyle \angle{A}=180\degree-\angle{A'} )]

이고,

[math(\displaystyle \angle{\mathrm{A'BC}}=90\degree )]

이다. 따라서

[math(\displaystyle \sin{A}=\sin{(180\degree-A')}=\sin{A'}=\frac{a}{2R} )]

이고[2] 이것을 정리하면,

[math(\displaystyle \frac{a}{\sin{A}}=2R )]

가 얻어진다.


(ⅲ) [math(\triangle \mathrm{ABC})]가 직각 삼각형일 때

파일:사인법칙_증명_직각.png

위 그림에서 [math(\angle{A}=90\degree)]이다. 따라서

[math(\displaystyle \sin{A}=1 \qquad \qquad a=2R )]

이므로

[math(\displaystyle \frac{a}{\sin{A}}=2R )]

가 성립한다.

2.2. 벡터곱을 이용한 증명

파일:사인법칙_증명_벡터외적.png

임의의 벡터에 대해 자기 자신과의 외적은 항상 영벡터다. 따라서 아래와 같이 쓸 수 있다.

[math(\displaystyle \mathbf{B} \times \mathbf{B}=\mathbf{0} )]

따라서 임의의 벡터에 대해 아래의 등식은 성립한다.

[math(\displaystyle (\mathbf{A-B}) \times \mathbf{B}=\mathbf{A \times B} )]

이때, 새로운 벡터 [math(\mathbf{C})]를 아래와 같이 정의해보자.

[math(\displaystyle \mathbf{C} \equiv \mathbf{A-B} )]

이제 벡터 [math(\mathbf{A})], [math(\mathbf{B})], [math(\mathbf{C})]는 서로 삼각형을 이루게 된다. 각각의 벡터의 대각을 각각 편의상 [math(A)], [math(B)], [math(C)]라 부르고, 각각의 벡터의 길이를 아래와 같이 부르자.

[math(\displaystyle \left| \mathbf{A} \right| \equiv a \qquad \qquad \left| \mathbf{B} \right| \equiv b\qquad \qquad \left| \mathbf{C} \right| \equiv c )]

이렇게 하면, 위에서 두 번째 식의 좌변은 아래와 같이 변형된다.

[math(\displaystyle \left| (\mathbf{A-B}) \times \mathbf{B} \right|=bc\sin{A} )]

우변은,

[math(\displaystyle \left| \mathbf{A} \times \mathbf{B} \right|=ab\sin{C} )]

위에서 다섯 번째 식과 위에서 여섯 번째 식은 이미 같음을 보였기 때문에 이를 잘 조합하면,

[math(\displaystyle \frac{\sin{A}}{a}=\frac{\sin{C}}{c} )]


이 방식은 좀 더 간결하지만, 외접원에 대한 정보를 제공하지 않는다는 단점이 있다.[3]

3. 활용


[math(\displaystyle \begin{aligned} \sin{A} &=\frac{a}{2R} \\ \sin{B}&=\frac{b}{2R} \\ \sin{C}&=\frac{c}{2R} \end{aligned} )] }}}

[math(\displaystyle \begin{aligned} a&=2R\sin{A} \\ b&=2R\sin{B} \\ c&=2R\sin{C} \end{aligned} )] }}}

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


그 외에도 삼각형에서 삼각함수의 등식을 증명하거나, 넓이를 찾을 때에는 위 세 가지 변형과 코사인 법칙을 잘 활용하면 쉽게 해결할 수 있다.

===# 예제 #===
사인법칙과 제2코사인법칙을 이용하여 아래 문제를 풀 수 있다.
파일:20190910(고2).png
2019년 9월 고2 10번

[풀이]
------
세 변의 길이 비가 [math(2k:3k:4k)]임을 알 수 있으므로, 제2코사인 법칙에 의해

[math( \cos{C}= \dfrac{(2k)^2+(3k)^2-(4k)^2}{2\cdot 2k\cdot 3k}=-\dfrac{1}{4})]

이다. 정답은 ②번.

4. 비유클리드 기하학에서

유클리드 평면 위의 삼각형이 아니라 비유클리드 기하학의 삼각형에서는, 다음과 같은 공식이 성립한다.

4.1. 구면기하학에서

삼각형이 위에 있으면 이 식의 형태가 바뀌게 된다.

[math( \displaystyle \frac{\sin a}{\sin{A}}=\frac{\sin b}{\sin{B}}=\frac{\sin c}{\sin{C}}=2R )]

즉 사인이 분자에까지 적용된다는 이야기이다.

4.1.1. 타원기하학으로의 일반화

구면뿐만 아니라 모든 타원면으로 일반화할 수 있으며, 이 경우 야코비 타원 함수를 이용해 아래의 식으로 표현할 수 있다. [math(\rm sn)] 함수에서 이심률에 해당하는 두번째 변수가 0일 경우 [math(\sin)]과 동치가 된다.

[math( \displaystyle \frac{{\rm sn}(a;\,k_1)}{{\rm sn}(A;\,k_2)}=\frac{{\rm sn}(b;\,k_1)}{{\rm sn}(B;\,k_2)}=\frac{{\rm sn}(c;\,k_1)}{{\rm sn}(C;\,k_2)}=2R \quad )](단, [math(k_1,\,k_2 \in [0,\, 1))])

4.2. 쌍곡기하학에서

쌍곡기하학에서는 더해서

[math( \displaystyle \frac{\sinh a}{\sin{A}}=\frac{\sinh b}{\sin{B}}=\frac{\sinh c}{\sin{C}}=2R )]

분자가 쌍곡선 함수로 바뀐다.

5. 관련 항목



[1] 참고로, 이 교육과정 당시 대부분의 문과는 아예 삼각함수를 배우지 않았다. [2] 내접 사각형의 대각의 합이 [math(180\degree)]인 것을 이용했다. [3] 다만, 위의 식에서 [math( \dfrac{\sin{C}}{c} = \dfrac{1}{2R})]로 보고 외접원의 반지름 정도는 구할 수 있다.