원 또는 원의 일부분의 넓이를 구하는 문제는 긴 역사를 가지고 있다. [그림 1]과 같이 원호와 현으로 둘러싸인 원의 일부분에 해당하는 도형을 활꼴이라고 한다.
활꼴은 [그림 2]와 같이 현의 길이 a와 현으로부터 원호에 이르는 최대거리인 높이 h가 주어지면 결정된다.
이때, 높이는 현의 중점에서 원호에 이르는 수직거리이기도 하다.문헌에 의하면, 고대 중국과 이집트에서는 활꼴의 넓이를 근사적으로 구하기 위해 [그림 3]과 같이 윗변의 길이가 높이와 같은 사다리꼴을 이용하였다고 한다.
이 사다리꼴에 의한 근사공식이 얼마나 정확한지 알기 위해서는 활꼴의 넓이를 정확히 구할 수 있어야 한다.활꼴의 넓이는 현의 길이와 높이로는 간단히 나타낼 수 없다. 그러나 [그림 4]와 같이 중심각 2θ와 반지름 r을 이용하면 삼각함수를 써서 넓이를 나타낼 수 있다. (단, 0<θ<2π)
포물선을 이용하여 활꼴의 넓이를 근사계산하는 방법이 있다. Archimedes는 포물선과 직선으로 둘러싸인 영역의 넓이가 이 영역에 포함되는 삼각형의 최대넓이의 34배가 된다는 것을 밝혔다. 이를 이용하면 [그림 5]와 같이 활꼴의 양 끝점 A,B를 지나고 현에서 가장 먼 원호 위의 점 C에 접하는 포물선을 이용하여 활꼴의 넓이를 근사계산할 수 있다.
1-1. <10점> 아래 그림과 같이 현의 길이가 a이고, 높이가 h인 활꼴이 반지름이 r인 원의 일부분이라고 할 때 r을 a와 h로 나타내어라.
1-2. <10점> [그림 4]와 같이 반지름이 r인 원에서 중심각 2θ에 대응하는 활꼴의 넓이 A(r,θ)를 r과 θ와 삼각함수를 써서 나타내라.
1-3. <10점> [그림 3]의 활꼴이 반지름이 r인 원에서 중심각 2θ에 대응한다고 할 때, a와 h를 r과 θ와 삼각함수를 써서 나타내고, 이를 이용하여 [그림 3]의 사다리꼴의 넓이 B(r,θ)를 r과 θ와 삼각함수를 써서 나타내라.
1-4. <10점> 포물선에 대하여 Archimedes가 발견한 사실을 이용하여 [그림 5]와 같이 활꼴을 포물선으로 근사시킨 넓이 C(r,θ)를 r과 θ와 삼각함수를 써서 나타내라. 단, 주어진 활꼴은 반지름이 r인 원에서 중심각 2θ에 대응하는 활꼴이다.
1-5. <10점> θ가 0에 가까운 값일 때, sinθ와 cosθ는 각각 3차다항식 θ−61θ3과 2차다항식 1−21θ2으로 근사된다.(1)<3점> θ가 0에 가까운 값일 때, 위 근사식들을 이용하여 A(r,θ), B(r,θ), C(r,θ)의 근사식을 θ에 대한 오름차순으로 나타내라.(2)<7점> θ가 0에 가까운 값일 때, (1)에서 구한 식들을 이용하여 A(r,θ)B(r,θ)와 A(r,θ)C(r,θ)의 값을 상수로 근사하고, 이를 이용하여 사다리꼴에 의한 근사값과 포물선에 의한 근사값 중 어느 것이 활꼴의 넓이를 더 정확히 근사하는지 판정하라.
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직각삼각형 OAM에 피타고라스 정리를 적용하면 r2=(2a)2+(r−h)2이고, 이를 정리하면 2hr=4a2+h2을 얻는다. 이 식을 다시 r에 대하여 풀면 다음 결과를 얻는다:r=2h1(4a2+h2)=8ha2+2h=8ha2+4h2
그림에서 부채꼴 OACB의 넓이는 21⋅r2⋅2θ=r2θ이다. 또한, OM=rcosθ, AB=2AM=2rsinθ이므로 삼각형 OAB의 넓이는 21AB⋅OM=r2sinθcosθ=21r2sin2θ이다. 따라서 활꼴 ACD의 넓이 A(r,θ)는Correction. 활꼴 ACD에서 D는 B의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.A(r,θ)=r2θ−r2sinθcosθ=r2(θ−sinθcosθ)=r2(θ−21sin2θ)이다.
그림에서 a=2rsinθ이고 h=r−rcosθ=r(1−cosθ)이다. 따라서 사다리꼴의 넓이 B(r,θ)는 다음과 같다:B(r,θ)=21h(a+h)=21ah+21h2=r2sinθ(1−cosθ)+21r2(1−cosθ)2=21r2(1−cosθ)(2sinθ+1−cosθ)
그림에서AB=2rsinθ,CM=OC−OM=r−rcosθ=r(1−cosθ)이므로 삼각형 ABC의 넓이는21AB⋅CM=r2sinθ(1−cosθ)이다. 따라서 포물선 ACB와 선분 AB로 둘러싸인 도형의 넓이 C(r,θ)는C(r,θ)=34× 삼각형 ABC의 넓이 =34r2sinθ(1−cosθ)이다.
(2)A(r,θ)B(r,θ)≈r2θ3(32−121θ2)41r2θ3(2+21θ−31θ2)≈3241⋅2=43A(r,θ)C(r,θ)≈r2θ3(32−121θ2)32r2θ3(1−61θ2)≈3232=1따라서 포물선을 이용한 근사 C(r,θ)이 사다리꼴을 이용한 근사 B(r,θ)보다 더 정확하다.