Ⅵ-1.4 ★ 가장 놀라운 정리 9수03-09 2022 개정 교육과정

둘레 어디에서 보든 —
같은 에 대한 은 동일

한 호를 원의 둘레 위 임의의 점에서 본 각은 — 어디서 봐도 같다. 그리고 그 각은 중심에서 본 각의 정확히 절반이다. 이 한 쌍의 사실이 가져오는 다섯 개의 따름정리, 그리고 그 안에 숨은 탈레스의 정리를 만난다.

01한 호, 보편적인 각

A universal angle for each arc
"둘레 위의 한 점 $P$ 가 호 $\overarc{AB}$ 를 본다.
$P$ 를 — 어디로 움직여도 — 그 각은 변하지 않는다."
삼각형은 세 변·세 각이 모두 변해도 같은 모양일 수 있다 (닮음). 그러나 한 원의 한 호에 대한 원주각은 — 모양뿐 아니라 각의 크기 자체가 절대 변하지 않는다. 이것이 원이라는 도형의 특별함이고, 이번 차시의 출발점.
A B P₁ P₂ P₃ 세 시점, 같은 각

02중심정리 — 원주각 = ½ × 중심각

Inscribed angle theorem
Theorem · Ⅵ-1.4 · 원주각 정리

한 호에 대한 원주각은 중심각의 절반

$\angle APB = \tfrac{1}{2} \, \angle AOB$

여기서 $P$ 는 호 $\overarc{AB}$ 를 보고 있는 원 위의 임의의 점 (단, 호 $\overarc{AB}$ 자체에는 포함되지 않음).

이 정리에는 두 가지 강력한 결과가 함축되어 있다 — ① 한 호에 대한 원주각은 $P$ 의 위치와 무관, ② 그 크기는 정확히 중심각의 절반.

O A B P ∠APB ∠AOB

03증명 — 한 변이 지름인 경우

Proof · Case 1 (one side a diameter)

원주각 정리의 일반 증명은 세 경우 (중심이 원주각 내부 / 외부 / 한 변 위)로 나뉜다. 가장 기본인 한 변이 지름을 따라가는 경우를 증명하면 다른 경우는 두 개의 이 경우로 분해된다.

Case 1 증명 — 한 변이 지름

PROOF · using exterior angle of isosceles triangle
O P A B α α
STEP 1 · 설정
$P$ 에서 본 원주각 $\angle BPA$ 를 호 $\overarc{AB}$ 에 대한 각이라 하자. 한 변 $PA$ 가 지름이라 가정.
STEP 2 · 이등변삼각형
$\overline{OP} = \overline{OB} = r$ (반지름). $\triangle OPB$ 는 이등변삼각형. 따라서 $\angle OPB = \angle OBP$. 이 각을 $\alpha$ 라 하자.
STEP 3 · 외각 정리
$\triangle OPB$ 의 외각 $\angle BOA$ (점 $O$ 에서 $\overline{PA}$ 방향) 는 마주보는 두 내각의 합. 즉 $\angle BOA = \alpha + \alpha = 2\alpha$.
STEP 4 · 결론
$\angle APB = \alpha = \tfrac{1}{2}(2\alpha) = \tfrac{1}{2}\angle AOB$. 증명 완료.
∴ $\angle APB = \tfrac{1}{2} \angle AOB$   ▢

Case 2 / Case 3  원주각 안에 중심이 있거나, 밖에 있는 경우. 둘 다 P에서 지름을 그어 Case 1 두 개로 분해 → 더하거나 빼서 결과를 얻는다.

04다섯 따름정리

Five corollaries

원주각 정리 한 줄에서 흘러나오는 다섯 가지 결과. 모두 한 문제 안에서 자유롭게 결합되어 사용된다.

따름정리 ①

같은 호에 대한 원주각은 같다

한 호 $\overarc{AB}$ 에 대해, 원 위의 임의의 두 점 $P, Q$ 에서 본 원주각은 같다. $\angle APB = \angle AQB$.

모두 같은 중심각의 절반이므로.

A B P Q
따름정리 ②

반원의 원주각 = 90° 탈레스

호 $\overarc{AB}$ 가 반원 (즉 $\overline{AB}$ 가 지름) 이면, 그 호에 대한 원주각은 모두 $90°$.

중심각 $= 180°$ (직선) → 원주각 $= 90°$.

A B P 90°
따름정리 ③

같은 길이의 호 ⟹ 같은 원주각

한 원에서 길이가 같은 두 호에 대한 원주각은 같다.

호 길이가 같으면 중심각이 같다 (반지름 동일). 따라서 원주각도 같다.

따름정리 ④

호의 길이 ∝ 원주각

한 원에서 두 호의 길이 비 = 두 원주각의 비.

호 $\overarc{AB} : \overarc{CD} = m : n$ 이면 $\angle APB : \angle CQD = m : n$.

따름정리 ⑤

중심각의 두 위치

호 $\overarc{AB}$ 의 길이가 정해지면 — 그 호에 대한 원주각도 정확히 한 값으로 정해진다.

이 사실은 다음 차시 "원에 내접하는 사각형"의 핵심.

05탈레스의 정리 — 반원의 마법

Thales' theorem · BC 600s

탈레스 (BC 624 ~ 547) — "반원 위의 점에서 본 지름은 직각이다"

그리스 일곱 현인 중 한 명. 기록상 최초의 기하학 정리를 발견·증명한 인물.

반원에 내접한 임의의 삼각형 — 세 점 $A, P, B$ 가 모두 원 위에 있고 $\overline{AB}$ 가 지름이면, $\angle APB$ 는 항상 $90°$.

$\overline{AB}$ 가 지름 ⟹ $\angle APB = 90°$

역도 성립: 직각삼각형의 빗변은 항상 외접원의 지름. → 외접원의 중심은 빗변의 중점.

A B 어디서 보든 90°

06실험실 — P를 움직여 보자

Inscribed angle invariance lab

호 AB의 중심각·원주각

호 $\overarc{AB}$ 의 중심각을 슬라이더로 조절하고, $P$ 의 위치도 조절한다. 중심각의 절반이 되는 원주각이 P의 위치와 무관하게 일정함을 확인하라.

100°
50%

07개념 점검 5문항

Quick check
QC 01
한 호에 대한 중심각이 $80°$ 일 때 그 호에 대한 원주각의 크기는?
정답 보기
$\angle APB = \tfrac{1}{2}\angle AOB = \tfrac{1}{2}(80°) = \mathbf{40°}$.
QC 02
한 호에 대한 원주각이 $35°$ 일 때, 그 호에 대한 중심각의 크기는?
정답 보기
$\angle AOB = 2 \times 35° = \mathbf{70°}$.
QC 03
반원에 대한 원주각의 크기는?
정답 보기
반원의 중심각 $=180°$ → 원주각 $= \mathbf{90°}$. (탈레스 정리)
QC 04
같은 호 $\overarc{AB}$ 에 대해 $P$ 에서 본 원주각이 $30°$ 이다. 같은 호에 대해 다른 점 $Q$ 에서 본 원주각은?
정답 보기
따름정리 ①: 같은 호에 대한 원주각은 같다. $\mathbf{30°}$.
QC 05
한 원에서 호 $\overarc{AB} : \overarc{CD} = 2 : 3$ 일 때 두 호에 대한 원주각의 비는?
정답 보기
따름정리 ④: 호 길이 비 = 원주각 비. $\mathbf{2 : 3}$.

08예제 2선

Worked examples
예제 1 · 탈레스 정리 활용

지름 $\overline{AB}$ 인 원 위의 점 $P$ 에서 $\angle ABP = 30°$ 일 때, $\angle BAP$ 의 크기는?

탈레스 정리 · $\overline{AB}$ 가 지름이므로 $\angle APB = 90°$.
삼각형 내각의 합 · $\angle ABP + \angle BAP + \angle APB = 180°$ → $30° + \angle BAP + 90° = 180°$.
풀이 · $\angle BAP = 60°$.
$\therefore \; \angle BAP = 60°$
예제 2 · 호의 비례

원 위 세 점 $A, B, C$ 에 대해 호 $\overarc{BC} : \overarc{CA} : \overarc{AB} = 2 : 3 : 4$ 일 때, $\angle ACB$ 의 크기는?

호의 합 · 세 호가 원을 완성하므로 합 $= 360°$ (중심각 기준). 비례로 $2 : 3 : 4$ → 각각 $80°, 120°, 160°$.
원주각의 대응 · $\angle ACB$ 는 $C$ 에서 본 호 $\overarc{AB}$ 의 원주각 ($C$ 를 포함하지 않는 호).
풀이 · 호 $\overarc{AB}$ 의 중심각 $= 160°$. 원주각 $= 80°$.
$\therefore \; \angle ACB = 80°$

09연습 8문항

Practice · ★ basic / ★★ standard / ★★★ challenge
P01
중심각의 크기가 $100°$ 일 때 같은 호에 대한 원주각의 크기는?
풀이 보기
$\angle APB = \tfrac{1}{2}(100°) = 50°$.
P02
원주각이 $25°$ 일 때 같은 호에 대한 중심각의 크기는?
풀이 보기
$\angle AOB = 2(25°) = 50°$.
P03
반원에 대한 원주각의 크기는?
풀이 보기
반원의 중심각 $=180°$ → 원주각 $=90°$. (탈레스 정리)
P04★★
원 위의 점 $P$ 에서 본 호 $\overarc{AB}$ 의 원주각이 $\angle APB = 40°$ 이다. 그 호에 대한 중심각 $\angle AOB$ 의 크기는?
풀이 보기
$\angle AOB = 2\angle APB = 80°$.
P05★★
같은 호에 대해 점 $P$ 에서 본 원주각이 $30°$ 일 때, 같은 호 위의 다른 점 $Q$ 에서 본 원주각의 크기는?
풀이 보기
같은 호에 대한 원주각은 모두 같다 (따름정리 ①). $\mathbf{30°}$.
P06★★
한 원에서 호 $\overarc{AB} = 2 \times \overarc{CD}$ 이고 $\angle AOB = 60°$ 이다. $\angle COD$ 의 크기는?
풀이 보기
호 길이 비 $= 2:1$ → 중심각 비 $= 2:1$ → $\angle COD = \tfrac{60°}{2} = 30°$.
P07★★★
지름 $\overline{AB}$ 인 원 위의 점 $P$ 에서 $\angle ABP = 30°$ 이다. $\angle BAP$ 의 크기는?
풀이 보기
탈레스 정리: $\angle APB = 90°$. 삼각형 내각의 합 $180°$ → $\angle BAP = 180° - 30° - 90° = 60°$.
P08★★★
원에 내접한 삼각형 $\triangle ABC$ 에서 세 호 $\overarc{BC} : \overarc{CA} : \overarc{AB} = 2 : 3 : 4$ 일 때 $\angle C$ 의 크기는?
풀이 보기
세 호의 합 $= 360°$ (중심각). 비례 $2:3:4$ → $80°, 120°, 160°$.
$\angle C$ 는 호 $\overarc{AB}$ ($C$ 를 포함하지 않음) 에 대한 원주각. 그 호의 중심각 $= 160°$ → 원주각 $= 80°$.

10한 줄로 정리

Synthesis

중심정리

$\angle APB = \tfrac{1}{2}\angle AOB$. 원주각은 중심각의 절반. 호가 결정하면 원주각도 결정.

증명 도구

이등변삼각형의 외각 정리. 반지름이 같다는 사실로부터 직접 따라온다.

탈레스 정리

반원 위의 점에서 본 지름은 90°. 직각삼각형의 빗변 = 외접원 지름.

호와 각의 비례

한 원에서 호 길이의 비 = 중심각의 비 = 원주각의 비.

다음 단계 — Ⅵ-1.5 원에 내접하는 사각형  원 위에 네 점을 잡아 만든 사각형의 대각의 합은 $180°$. 그 이유는 이번 차시의 원주각 정리에 직접 숨어 있다. 한 차시 안에 모든 점이 연결된다.