최근 수정 시각 : 2024-10-15 08:52:43

원주각

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1. 개요2. 성질
2.1. 성질 12.2. 성질 22.3. 기타 성질
3. 응용
3.1. 사인법칙3.2. 원에 내접하는 사각형과 내대각3.3. 네 점이 한 원 위에 있을 조건3.4. 접선과 현이 이루는 각3.5. 방멱 정리 (원과 비례)
4. 기타5. 관련 문서

1. 개요

/ inscribed angle

파일:나무_원주각_개요.png

그림과 같이 [math(\:\overset{\Large\mathclap\frown}{\phantom{\scriptsize;\!}}\clap{AB}\:)]에 대해 [math(\angle\alpha)]를 [math(\:\overset{\Large\mathclap\frown}{\phantom{\scriptsize;\!}}\clap{AB}\:)]에 대한 원주각이라 하며, 이때, [math(\angle\beta)]를 [math(\:\overset{\Large\mathclap\frown}{\phantom{\scriptsize;\!}}\clap{AB}\:)]에 대한 중심각이라 한다. 원주각과 중심각의 관계는 아래와 같다.
[math(\angle\alpha = \dfrac{\angle\beta}2)]

참고로 이 문서의 각은 호도법으로 정의된 것을 사용하며, 가령 각의 기호 [math(\theta)]에 대하여 [math(underlinetheta = theta/{rm rad})]이다. 해당 수치에 [math({180\degree}/\pi)]를 곱해주면, 육십분법으로 정의된 각을 알 수 있다. 또한 닮음 기호는 국제적으로 통용되는 [math(\sim)]을 썼다.

2. 성질

2.1. 성질 1

원주각은 호가 같다면, 점 [math(\rm P)]에 관계 없이 일정하다. 즉,

파일:나무_원주각_1.png

위 그림에서
[math(\alpha_1 = \alpha_2 = \alpha_3)]
이다.

이것은 다음과 같이 세 경우로 나누어 증명 가능하다.

[1] 원의 중심이 원주각 내부에 있을 때

파일:원주각 증명_1.png

[math(\:\overset{\Large\mathclap\frown}{\phantom{\scriptsize;\!}}\clap{AB}\:)]에 대한 원주각 [math(\rm\angle APB)]를 고려하고, 보조선으로 지름 [math(\rm\overline{PQ})]를 사용하자. 이때, 원의 반지름으로써 [math(\overline{\rm OP} = \overline{\rm OA} = \overline{\rm OB})]가 성립하므로 [math(\rm\triangle PAO)], [math(\rm\triangle POB)]는 이등변삼각형임을 알 수 있다. 따라서
[math(\begin{aligned} \rm\angle APO &= \rm\angle PAO \\ \rm\angle OPB &= \rm\angle OBP\end{aligned})]
가 성립한다. 그런데, [math(\rm\triangle PAO)]의 [math(\rm\angle AOP)]에 대한 외각은 [math(\rm\angle AOQ)]이고,
[math(\rm\angle AOQ = \angle APO + \angle PAO = 2\angle APO)]
이다. 마찬가지의 논법으로
[math(\rm\angle QOB = \angle OPB + \angle OBP = 2\angle OPB)]
임을 증명할 수 있다. 위를 종합하면,
[math(\rm\angle APB = \dfrac12\angle AOB)]
임을 얻는다.

[2] 원의 중심이 원주각 직선 위에 있을 때

파일:원주각 증명_2.png

[math(\:\overset{\Large\mathclap\frown}{\phantom{\scriptsize;\!}}\clap{AB}\:)]에 대한 원주각 [math(\rm\angle APB)]를 고려하자. 원의 반지름으로써 [math(\overline{\rm OP} = \overline{\rm OA} = \overline{\rm OB})]가 성립하므로 [math(\rm\triangle OAB)], [math(\rm\triangle POB)]는 이등변삼각형임을 알 수 있다. 따라서 [math(\rm\triangle POB)]에 대하여
[math(\rm\angle OPB = \angle OBP)]
이 성립한다. 또한, [math(\rm\angle POB)]의 외각은 [math(\rm\angle AOB)]이고,
[math(\rm\angle AOB = \angle OPB + \angle OBP = 2\angle OPB)]
이 성립하므로 결국
[math(\rm\angle APB = \dfrac12\angle AOB)]
임을 얻는다.

[3] 원의 중심이 원주각 외부에 있을 때

파일:원주각 증명_3.png

[math(\:\overset{\Large\mathclap\frown}{\phantom{\scriptsize;\!}}\clap{AB}\:)]에 대한 원주각 [math(\rm\angle APB)]를 고려하고, 보조선으로 반지름 [math(\rm\overline{OP})]를 사용하자. 이때, 원의 반지름으로써 [math(\overline{\rm OP} = \overline{\rm OA} = \overline{\rm OB})]가 성립하므로 [math(\rm\triangle PAO)], [math(\rm\triangle POB)]는 이등변삼각형임을 알 수 있다. 따라서 [math(\rm\triangle OAP)]와 [math(\rm\triangle OBP)]는 이등변삼각형이다. 따라서 다음이 성립한다:
[math(\begin{aligned} \rm\angle OAP &= \rm\angle OPA \\ \rm\angle OPB &= \rm\angle OBP\end{aligned})]
따라서
[math(\begin{aligned} \rm\angle OBP &= \rm\angle OPA + \angle APB \\ &= \rm\angle OAP + \angle APB \end{aligned})]
이고, [math(\rm\triangle QPB)]의 [math(\rm\angle PQB)]에 대한 외각은 [math(\rm\angle AQB)]이므로
[math(\rm\angle AQB = \angle OAP + 2\angle APB)]
또, [math(\rm\triangle OAQ)]의 [math(\rm\angle OQA)]에 대한 외각은 [math(\rm\angle AQB)]임에 따라
[math(\rm\angle AQB = \angle OAP + \angle AOB)]
이상에서
[math(\rm\angle OAP + \angle AOB = \angle OAP + 2\angle APB)]
의 결과를 얻으므로 정리하면,
[math(\rm\angle APB = \dfrac12\angle AOB)]
임을 얻는다.

따라서 우리는 [1]~[3]의 과정을 통해 원주각의 크기는 호의 길이만 같다면, 크기는 원주각의 위치에 무관함을 증명했다.

사실 [math(\alpha)]가 [math(\cfrac\pi2{\rm\,rad})]보다 큰 지 작은지 알면
[math(\sin\underline\alpha = \cfrac{\overline{\rm AB}}{2R})]
임을 이용해서 한 번에 얻을 수 있다.

2.2. 성질 2

위의 개요 문단에서도 다뤘지만, 원주각은 중심각의 크기의 절반의 크기를 가진다. 이것의 증명은 원주각이 예각, 직각, 둔각일 때를 나누어 증명한다.

[1] 원주각이 예각일 때

파일:나무_원주각_증명1_수정.png

보조선으로 [math(\rm\overline{PQ})]를 긋는 것부터 시작하자. 원의 반지름인 세 선분의 길이는 같다. 즉,
[math(\rm\overline{AO} = \overline{PO} = \overline{BO})]
이에 두 삼각형 [math(\rm\triangle PAO)]와 [math(\rm\triangle PBO)]는 이등변 삼각형이다. 따라서 위 그림과 같이 양끝각은 같다. 이상에서
[math(\rm\angle AOB = \angle AOQ + \angle QOB)]
이고, 삼각형의 외각은 삼각형 내부의 두 각의 크기의 합과 같으므로
[math(\begin{aligned} \rm\angle AOQ &= \rm2\angle APO \\ \rm\angle QOB &= \rm2\angle OPB\end{aligned})]
이상에서
[math(\rm\angle AOB = 2(\angle APO + \angle OPB) = 2\angle APB)]
임을 알 수 있다.

[2] 원주각이 직각일 때

파일:나무_원주각_증명2.png

보조선으로 [math(\rm\overline{PO})]를 긋는 것부터 시작하자. 원의 반지름인 세 선분의 길이는 같다. 즉,
[math(\rm\overline{AO} = \overline{PO} = \overline{BO})]
이에 두 삼각형 [math(\rm\triangle PAO)]와 [math(\rm\triangle PBO)]는 이등변 삼각형이다. 따라서 위 그림과 같이 양끝각은 같다. 이상에서
[math(\rm\angle AOB = \angle AOP + \angle POB)]
그런데, 삼각형의 외각은 삼각형 내부의 두 각의 크기의 합과 같으므로
[math(\begin{aligned} \rm\angle AOP &= \rm2\angle OPB \\ \rm\angle POB &= \rm2\angle APO\end{aligned})]
이상에서
[math(\rm\angle AOB = 2(\angle APO + \angle OPB) = 2\angle APB)]
가 됨을 알 수 있다.

[3] 원주각이 둔각일 때

파일:나무_원주각 증명 3.png

보조선으로 [math(\rm\overline{PO})]를 긋는 것부터 시작하자. 원의 반지름인 세 선분의 길이는 같다. 즉,
[math(\rm\overline{AO} = \overline{PO} = \overline{BO})]
이에 두 삼각형 [math(\rm\triangle PAO)]와 [math(\rm\triangle PBO)]는 이등변 삼각형이다. 따라서 위 그림과 같이 양끝각은 같다. 이상에서
[math(\rm\angle AOB = 2\pi{\rm\,rad} - (\angle AOP + \angle POB))]
삼각형의 내각의 합은 [math(\pi{\rm\,rad})]임을 이용하면,
[math(\begin{aligned} \rm\angle AOP &= \rm\pi\,rad - 2\angle APO \\ \rm\angle POB &= \rm\pi\,rad - 2\angle OPB\end{aligned})]
이상에서
[math(\rm\angle AOB = 2(\angle APO + \angle OPB) = 2\angle APB)]
가 됨을 알 수 있다.

2.3. 기타 성질

  • 지름에 대한 원주각의 크기는 직각이 된다. 이것은 성질 2를 이용하면, 지름의 경우 직선이고, 원의 중심을 통과하기 때문에 중심각은 [math(\pi{\rm\,rad})]이 되므로, 원주각은 그 반인 직각이 되는 것이다. 아래의 그림을 참고하라:

    파일:나무_원주각_성질3.png
  • 한 원에서 같은 원주각을 가지는 두 현은 길이가 같다.
  • 원주각 및 중심각은 대응하는 호의 길이에 비례한다.
    • 파일:나무_원주각_개요.png

      상단의 그림을 해석기하학적으로 접근하면, [math(\rm\overline{AB})]를 그을 때 다음과 같은 관계를 도출할 수 있다:
      [math(\begin{aligned} \underline{\angle\alpha} &= \dfrac12 \operatorname{acrd} \overline{\rm AB} \\ &= \arcsin\frac{\overline{\rm AB}}2 \\ &= -i\operatorname{Log}{\left( i \frac{\overline{\rm AB}}2 + \sqrt{1 - \frac{\overline{\rm AB}^2}4} \right)} \end{aligned})]

      [math(\rm acrd)]는 할선으로부터 그 중심각을 구하는 역할선 함수이며, [math(\arcsin)]은 역사인 함수이다. [math(\rm Log)]는 복소로그함수, [math(i)]는 허수단위이다.

3. 응용

3.1. 사인법칙

파일:상세 내용 아이콘.svg   자세한 내용은 사인법칙 문서
번 문단을
부분을
참고하십시오.

3.2. 원에 내접하는 사각형과 내대각

파일:나무_원주각성질4.png

위 그림과 같이 원에 내접하는 사각형 [math(\rm APBQ)]를 고려하자. 이때, [math(\theta)]와 [math(\theta')]는 [math(\:\overset{\Large\mathclap\frown}{\phantom{\scriptsize;\!}}\clap{AB}\:)]의 원주각이다. 따라서 두 원주각에 대한 중심각의 합은 [math(2\pi{\rm\,rad})]이 되므로
[math(\theta + \theta' = \pi{\rm\,rad})]
의 결론을 얻는데, 이는 원에 내접하는 사각형의 두 대각의 합은 [math(\bm\pi{\bf\,rad})]이 됨을 보여준다.

파일:나무_원에 내접하는 사각형_내대각.png

위 그림과 같이 원에 내접하는 [math(\rm\square ABCD)]과 이 사각형의 [math(\rm\angle CAB)]의 외각 [math(\rm\angle PAC)]를 고려하면
[math(\rm\angle CAB = \pi{\rm\,rad} - \angle PAC)]
이때, 원에 내접하는 사각형의 두 대각의 합은 [math(\pi)]가 됨을 증명했으므로
[math(\begin{aligned} \rm\angle CDB &= \rm\pi\,rad - \angle CAB \\ &= \rm\pi\,rad - (\pi\,rad - \angle PAC) \\ &= \rm\angle PAC \end{aligned})]
이 성립함을 알 수 있다. 이때, [math(\rm\angle CDB)]를 [math(\rm\angle PAC)]의 내대각이라 한다.

이상의 결과를 정리하면, 원에 내접하는 사각형의 한 외각의 크기와 내대각의 크기는 서로 같음을 알 수 있고, 이 명제는 그 역도 성립함이 알려져있다.

모든 사각형이 원에 내접하는 것은 아니다. 또한 사각형이 원에 외접한다고 무조건 원에 내접하는 것도 아니며 그 반대도 아니다.

3.3. 네 점이 한 원 위에 있을 조건

파일:namu_네원이_한 원위.png

그림과 같이 네 점 [math(\rm A)], [math(\rm B)], [math(\rm C)], [math(\rm D)]가 한 원 위에 있으려면 다음 두 조건을 만족해야 한다.[1][2]
  • 두 점 [math(\rm C)], [math(\rm D)]가 [math(\rm\overleftrightarrow{AB})]에 대하여 같은 쪽에 존재한다.
  • [math(\angle{\rm ACB} = \angle{\rm ADB})]

3.4. 접선과 현이 이루는 각

파일:나무_원주각_접선과현.png

위 그림과 같이 원 외부의 점 [math(\rm P)]에서 그은 원의 접선을 고려해보자. 이때, 해당 접선의 접점은 [math(\rm T)]이다. 또, 접점을 지나는 한 현을 고려할 때, 이 현에 대한 [math(\:\overset{\Large\mathclap\frown}{\phantom{\scriptsize;\!}}\clap{AT}\:)]에 대한 원주각 [math(\rm\angle AQT)]는 [math(\rm\angle PTA)]와 같다. 즉,
[math(\rm\angle AQT = \angle PTA)]
가 성립한다.

이것의 증명은 아래와 같이 할 수 있다.

파일:나무_원주각_접선과현_증명.png

점 [math(\rm Q)]를 [math(\rm Q')]으로 옮겨도 그 원주각은 같으므로
[math(\rm\angle AQT = \angle AQ'T)]
이때, [math(\rm\overline{TQ'})]이 원의 지름이라면, 지름에 대한 원주각 [math(\angle{\rm TAQ'} = \cfrac\pi2{\rm\,rad})]임에 따라, [math(\rm\triangle TAQ')]은 직각삼각형임을 알 수 있다. 또한, 원의 지름과 접선은 수직으로 만남에 따라 [math(\angle{\rm PTQ'} = \cfrac\pi2{\rm\,rad})]이다. 따라서 다음이 성립한다.
[math(\rm\pi\,rad - {\left(\cfrac\pi2{\rm\,rad} + \angle AQ'T \right)} = \cfrac\pi2{\rm\,rad} - \angle AQT)]
이상에서
[math(\rm\angle AQ'T = \angle AQT = \angle PTA)]
임을 얻는다.

이러한 성질을 흔히 접현각 성질이라고 줄여 부른다.

3.5. 방멱 정리 (원과 비례)

파일:상세 내용 아이콘.svg   자세한 내용은 방멱 정리 문서
번 문단을
부분을
참고하십시오.

4. 기타

  • 현행 대한민국 교육과정에서는 중학교 3학년 2학기에서도 맨 마지막에 다루게 된다. 단원 특성 상 3년간 배웠던 기하학의 내용인 합동・닮음 등의 많은 내용들을 써먹어야 하기 때문에 3년 간 본인이 학습했던 기하학 실력을 알 수 있는 단원이며, 이에 많은 학생들이 어려워하는 단원이다. 중학교 2학년 때 배우는 삼각형의 외심 내심, 닮음보다도 어려우며, 웬만한 고1 수학보다도 어렵다. 중학교에서 배우는 수학 내용 중 가장 어렵다고 봐도 과언이 아닐 정도.
  • 교육과정 자체는 중학교 교육과정이지만 수능 4점 도형문제에서 숨쉬듯 써먹기 때문에 사실상 고등학교 과정에도 필수라고 보면 된다.

5. 관련 문서



[1] 한마디로, 원에 내접하는 사각형이 존재할 조건이다. [2] 임의의 세 점은 반드시 한 원 위에 있다. 삼각형의 외심이 반드시 존재하는 이유이기도 하다.