Ⅵ-1.1 ★ 첫 번째 정리 9수03-07 2022 개정 교육과정

원과 직선이 만나는 —
단 세 가지 방식

평면 위의 한 원과 한 직선. 두 도형은 어떻게 만날 수 있을까? 직관은 무한한 경우의 수를 상상하게 만들지만 — 실제로는 단 세 가지뿐이다. 그 세 경우를 결정하는 것은 단 하나의 비교: 중심에서 직선까지의 거리 $d$ 와 반지름 $r$ 의 대소.

01왜 이 비교가 결정적인가

Motivation
"직선이 원을 향해 다가온다. 멀리 있을 때 → 만나지 않음.
가까이 오면 → 두 점에서. 어떤 순간 → 정확히 한 점에서.
"
그 "어떤 순간"이 바로 $d = r$ — 중심에서 직선까지의 거리가 반지름과 같아지는 임계점. 그 순간 직선은 원에 접선이 된다. 즉, 접선이라는 개념은 거리의 임계값으로 정의된다.
O d < r (두 점) d = r (접선) d > r (만나지 않음)

02세 가지 위치 관계

Three cases

중심 $O$ 에서 직선 $\ell$ 에 내린 수선의 발까지의 거리를 $d$ 라 하자. 반지름 $r$ 과의 대소 관계가 원과 직선의 만남을 완전히 결정한다.

Case ①

두 점에서 만남 — 할선

$d \; \boldsymbol{<} \; r$

직선이 원 안으로 깊숙이 들어가 두 점에서 만난다. 이때 직선을 할선 (secant) 이라 하고, 잘려나간 부분을 현 (chord) 이라 한다.

d
Case ② · 임계점

한 점에서 만남 — 접선

$d \; \boldsymbol{=} \; r$

직선이 원에 닿기는 하지만 들어가지는 않는다. 단 한 점 — 접점 (point of tangency) 에서 만나며, 이때 직선을 접선 (tangent) 이라 한다.

r = d 접점
Case ③

만나지 않음

$d \; \boldsymbol{>} \; r$

직선이 원에서 너무 멀어 한 점도 공유하지 않는다. 두 도형은 평면에서 서로 분리되어 있다.

d > r

결정 알고리즘  원과 직선의 위치 관계를 물을 때 → ① 중심에서 직선까지의 거리 $d$ 를 구한다. ② 반지름 $r$ 과 비교한다. ③ 세 경우 중 어디인지 판정. 끝. 추가 도형 분석이 필요 없는 단 세 줄짜리 절차.

03현의 길이 공식

Chord length from distance

Case ① ($d < r$) 에서 직선이 자르는 현의 길이는 얼마인가? 중심에서 현에 수선을 내리면 그 수선이 현을 이등분한다 (다음 차시의 핵심 정리지만 미리 활용). 그러면 직각삼각형의 피타고라스가 답을 준다.

유도 — 피타고라스 한 줄로

GIVEN · 반지름 $r$, 중심에서 직선까지의 거리 $d$, 단 $d < r$
O A B M r d MB
STEP 1
중심 $O$ 에서 현 $\overline{AB}$ 에 수선의 발 $M$. 다음 차시 정리에 의해 $M$ 은 $\overline{AB}$ 의 중점.
STEP 2
직각삼각형 $OMB$: 빗변 $\overline{OB} = r$, 한 변 $\overline{OM} = d$, 다른 변 $\overline{MB} = \tfrac{1}{2}\overline{AB}$.
STEP 3
피타고라스: $\overline{MB}^2 = r^2 - d^2$ → $\overline{MB} = \sqrt{r^2 - d^2}$.
STEP 4
현의 길이 $\overline{AB} = 2\overline{MB} = 2\sqrt{r^2 - d^2}$.
$\therefore \;\overline{AB} = 2\sqrt{r^2 - d^2}$

04접선의 길이 공식

Tangent length from external point

원 밖의 한 점 $P$ 에서 원에 그은 접선을 생각하자. 접점을 $T$ 라 할 때, $\overline{PT}$ 의 길이를 접선의 길이라 한다. 이 값은 $P$ 의 위치와 반지름만으로 결정된다.

핵심 공식

외부 점 $P$, 원의 중심 $O$, 접점 $T$. 다음 차시의 핵심 정리 ($\overline{OT} \perp \overline{PT}$) 에 의해 직각삼각형 $OPT$ 가 만들어진다.

$\displaystyle \overline{PT} = \sqrt{\overline{OP}^2 - r^2}$

피타고라스로부터 즉시. 빗변이 $\overline{OP}$, 한 변이 $r$, 다른 변이 $\overline{PT}$.

O P OP T r PT

예시 — $\overline{OP}=10, r=6$ 일 때 접선의 길이

GIVEN · external point P, center O, radius r
STEP 1
접선의 정의로 $\overline{OT} \perp \overline{PT}$. 따라서 $\triangle OPT$ 는 직각삼각형.
STEP 2
빗변 $\overline{OP} = 10$, 한 변 $\overline{OT} = r = 6$.
STEP 3
$\overline{PT}^2 = \overline{OP}^2 - \overline{OT}^2 = 100 - 36 = 64$.
STEP 4
$\overline{PT} = 8$.
$\therefore \;\overline{PT} = 8$

05실험실 — d 를 움직여 보자

Interactive position lab

거리 d 슬라이더

반지름 $r=6$ 고정. 중심에서 직선까지의 거리 $d$ 를 조절하여 세 경우의 전환점을 직접 관찰하라. 임계값 $d=r$ 을 지나는 순간 접선이 형성되는 모습을 본다.

4.0

06개념 점검 5문항

Quick check
QC 01
반지름 $r = 5$ 인 원과 중심으로부터의 거리 $d = 3$ 인 직선의 위치 관계는?
정답 보기
$d < r$ 이므로 두 점에서 만남 (할선).
QC 02
$r = 4, d = 4$ 일 때 위치 관계는?
정답 보기
$d = r$ 이므로 한 점에서 만남 (접선).
QC 03
$r = 5, d = 7$ 일 때 위치 관계는?
정답 보기
$d > r$ 이므로 만나지 않는다.
QC 04
반지름 5인 원과 중심으로부터의 거리 3인 직선이 자르는 현의 길이는?
정답 보기
$2\sqrt{r^2 - d^2} = 2\sqrt{25 - 9} = 2\sqrt{16} = \mathbf{8}$.
QC 05
외부 점 $P$ 에서 $\overline{OP} = 10$ 이고 원의 반지름이 $6$ 일 때, $P$ 에서 그은 접선의 길이는?
정답 보기
$\overline{PT} = \sqrt{\overline{OP}^2 - r^2} = \sqrt{100 - 36} = \sqrt{64} = \mathbf{8}$.

07예제 2선

Worked examples
예제 1 · 현의 길이

반지름 13인 원에서 중심으로부터의 거리가 5인 현의 길이를 구하여라.

공식 · 현의 길이 $= 2\sqrt{r^2 - d^2}$.
대입 · $= 2\sqrt{169 - 25} = 2\sqrt{144}$.
계산 · $= 2 \times 12 = 24$.
해석 · 5-12-13 피타고라스 정수배. 현의 길이는 5-12-13에서 12의 두 배.
$\therefore \; \overline{AB} = 24$
예제 2 · 접선의 길이로부터 거리

원의 반지름이 5이고, 외부 점 $P$ 에서 그은 접선의 길이가 $12$ 였다. $\overline{OP}$ 의 길이를 구하여라.

거꾸로 적용 · $\overline{PT}^2 = \overline{OP}^2 - r^2$ → $\overline{OP}^2 = \overline{PT}^2 + r^2$.
대입 · $\overline{OP}^2 = 144 + 25 = 169$.
계산 · $\overline{OP} = 13$.
해석 · 직각삼각형 $OPT$ 에서 두 직각변 $(5, 12)$ → 빗변 $13$. 또 하나의 5-12-13.
$\therefore \; \overline{OP} = 13$

08연습 8문항

Practice · ★ basic / ★★ standard / ★★★ challenge
P01
반지름 $r=8$, 중심에서 직선까지 거리 $d=5$. 위치 관계는? (두 점 / 한 점 / 만나지 않음 중)
풀이 보기
$d=5 < r=8$ 이므로 두 점에서 만남 (할선).
P02
$r=6, d=6$. 위치 관계는?
풀이 보기
$d = r$ 이므로 한 점에서 만남 (접선).
P03
$r=3, d=5$. 위치 관계는?
풀이 보기
$d=5 > r=3$ 이므로 만나지 않음.
P04★★
반지름 $10$ 인 원에서 중심으로부터의 거리가 $6$ 인 직선이 자르는 현의 길이는?
풀이 보기
$2\sqrt{r^2-d^2} = 2\sqrt{100-36} = 2\sqrt{64} = 2 \cdot 8 = 16$.
P05★★
반지름 $5$ 인 원에서 현의 길이가 $8$ 일 때, 중심으로부터 그 현까지의 거리는?
풀이 보기
현의 반 $=4$. 피타고라스로 $d^2 = r^2 - 4^2 = 25-16=9$, $d=3$.
P06★★
$\overline{OP} = 13$, 원의 반지름 $r=5$ 일 때 $P$ 에서 그은 접선의 길이는?
풀이 보기
$\overline{PT} = \sqrt{169-25} = \sqrt{144} = 12$. (5-12-13 직각삼각형)
P07★★★
외부 점 $P$ 에서 $\overline{OP} = 17$ 이고 원의 반지름 $r = 8$ 일 때, $P$ 에서 그은 접선의 길이는?
풀이 보기
$\overline{PT} = \sqrt{289 - 64} = \sqrt{225} = 15$. (8-15-17 피타고라스 정수쌍)
P08★★★
원의 반지름이 $5$ 이고, 외부 점 $P$ 에서 그은 접선의 길이가 $12$ 일 때, $\overline{OP}$ 의 길이는?
풀이 보기
$\overline{OP} = \sqrt{r^2 + \overline{PT}^2} = \sqrt{25+144} = \sqrt{169} = 13$. (5-12-13 다시)

09한 줄로 정리

Synthesis

세 경우 분류

$d < r$ 두 점 (할선) · $d = r$ 한 점 (접선) · $d > r$ 만나지 않음. 거리 하나로 모두 결정.

현의 길이

$2\sqrt{r^2 - d^2}$. 중심에서 현에 내린 수선이 이등분한다는 사실 + 피타고라스.

접선의 길이

$\sqrt{\overline{OP}^2 - r^2}$. 접선 ⊥ 반지름 + 피타고라스.

5-12-13 패턴

이 단원의 문제에서 가장 자주 등장하는 직각삼각형 정수쌍. 3-4-5도 함께 기억하자.

다음 단계 — Ⅵ-1.2 현의 수직이등분선  이번 차시에서 가볍게 사용한 "중심에서 현에 내린 수선은 현을 이등분"이라는 사실을 본격적으로 증명한다. 그리고 그 역명제 — "현의 수직이등분선은 반드시 중심을 지난다" — 도 다룬다.