한양과학기술고등학교

에듀테크 프로젝트 대시보드

삼각함수 그래프의 변환

삼각함수 그래프의 변환

고등학교 대수 — 삼각함수 단원. 기본 물결 y = sin x 에 숫자 네 개(a, b, c, d)를 붙이면 높이·너비·좌우·위아래로 자유롭게 늘이고 밀 수 있다. 슬라이더를 움직여 y = a·sin(b(x − c)) + d 가 어떻게 변하는지 눈으로 확인해 보자.

왜 중요할까 — 소리, 교류 전류, 조석, 계절 기온처럼 "일정하게 반복되는" 현상은 거의 다 a·sin(b(x − c)) + d 꼴로 근사된다. a는 세기, b는 빠르기(주파수), c는 시작 시점, d는 평균값을 뜻한다.

1. 직접 해보기

함수를 sin / cos / tan 중에 고르고, 아래 네 슬라이더로 a(진폭) · b(각속도) · c(위상이동) · d(수직이동) 을 바꿔 보자. 회색 점선은 비교용 기준 곡선 y = sin x, 굵은 하늘색이 변환된 곡선이다. 그래프를 좌우로 드래그하면 관찰점 x 를 옮길 수 있다.

변환된 곡선 기준 y = sin x 중심선 y = d 최대 / 최소
a 진폭 1.0
b 각속도 1.00
c 위상이동 0.00
d 수직이동 0.0
관찰점 x 0.79
y = 1·sin(1·(x − 0)) + 0
진폭 |a|
1.00
주기 2π/|b|
6.28
중심선 y=d
0.00
최댓값 a+d
1.00
최솟값 −a+d
−1.00
f(x) @ 관찰점
0.707

2. a, b, c, d 는 각각 무엇을 바꾸는가

기본형 y = sin x 는 −1 ≤ y ≤ 1, 주기 2π, 원점을 지나는 물결이다. 여기에 상수를 하나씩 붙여 보자.

형태이름바뀌는 것예
y = a·sin x진폭최대·최소가 ±|a| 로. a < 0 이면 x축 대칭으로 뒤집힘2 sin x → −2 ~ 2
y = sin(bx)각속도주기가 2π / |b| 로. b가 크면 촘촘sin 2x → 주기 π
y = sin(b(x − c))위상이동그래프가 x축 방향으로 +c 만큼 평행이동sin(x − π/2) = −cos x… 실은 sin을 오른쪽으로 π/2
y = sin x + d수직이동그래프가 y축 방향으로 +d. 중심선이 y = dsin x + 1 → 0 ~ 2
y = a·sin(b(x − c)) + d   →   진폭 |a|,   주기 2π/|b|,   중심선 y = d,   최대 a+d,   최소 −a+d
괄호를 조심하자 — 위상이동은 반드시 b(x − c) 처럼 b로 묶은 뒤 읽어야 한다. sin(2x − π) 는 sin(2(x − π/2)) 이므로 위상이동은 π 가 아니라 π/2 다.

3. y = a sin bx 의 최대·최소와 주기

sin 과 cos 는 항상 −1 이상 1 이하다. 그러니 a·sin(bx) 에서 sin 부분이 1일 때 최대 |a|, −1일 때 최소 −|a| 가 된다. 여기에 d를 더하면 그대로 위로 d만큼 올라간다.

최댓값 M = |a| + d,   최솟값 m = −|a| + d   ⟹   |a| = (M − m)/2,  d = (M + m)/2

거꾸로 그래프에서 가장 높은 점 M과 가장 낮은 점 m을 읽으면 a와 d를 바로 구할 수 있다. 주기는 이웃한 마루와 마루 사이 간격을 재서 T = 2π/|b| 로 b를 얻는다.

y = sin xy = 3 sin xy = sin 2xy = sin x + 2
진폭1311
주기2π2ππ2π
최대 / 최소1 / −13 / −31 / −13 / 1

4. 대칭성과 평행이동, 그리고 tan

sin 은 원점 대칭(기함수), cos 는 y축 대칭(우함수) 이다. 그래서 sin 그래프를 왼쪽으로 π/2 밀면 cos 와 정확히 겹친다.

sin(−x) = −sin x,   cos(−x) = cos x,   cos x = sin(x + π/2),   sin x = cos(x − π/2)

tan 은 사정이 다르다. tan x = sin x / cos x 라서 cos x = 0 인 곳(x = π/2 + kπ)에서 분모가 0이 되어 값이 ±∞ 로 치솟는다. 이 세로선을 점근선이라 하고, tan 의 주기는 sin·cos 의 절반인 π 다. 변환하면 점근선은 b(x − c) = π/2 + kπ 를 푼 자리에 생긴다. 위젯에서 함수를 tan 으로 바꾸면 빨간 점선으로 표시된다.

관찰 팁 — 위젯에서 b를 2로 놓으면 sin 곡선의 마루가 두 배 촘촘해지고(주기 π), 같은 설정에서 tan 은 점근선 간격이 π/2 로 좁아진다. a를 음수로 내리면 곡선이 위아래로 뒤집히는 것도 확인해 보자.

5. 파형을 더하면? — 푸리에로 가는 문

위젯의 합성 모드 를 켜면 y = sin x + sin 2x 처럼 주기가 다른 사인파의 합 을 보여준다. 두 개만 더해도 더 이상 단순한 물결이 아니지만, 여전히 주기함수 다. 반대로 — 세상의 복잡한 주기 신호(사람 목소리, 악기 소리, 심전도)를 잘게 나누면 결국 여러 개의 sin·cos 의 합 으로 쪼갤 수 있다. 그 분해 방법이 푸리에 변환이다.

복잡한 주기함수 f(x) = a₀ + Σ ( aₙ cos nx + bₙ sin nx )
한 줄 요약 — 물결 y = sin x 에 a·b·c·d 를 붙이면 높이(진폭 |a|) · 너비(주기 2π/|b|) · 좌우(위상 c) · 위아래(중심선 d) 를 독립적으로 조절할 수 있고, 최대·최소는 ±|a| + d 로 정해진다. 관련: 단위원과 삼각함수, 푸리에 변환, 지수와 로그.