한양과학기술고등학교

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단위원과 삼각함수

단위원과 삼각함수

고등학교 대수 — 삼각함수 단원. 반지름이 1인 원 위의 한 점의 좌표가 바로 (cos θ, sin θ) 다. 각을 돌려 보면서 사인·코사인 그래프가 어떻게 물결처럼 생겨나는지 직접 확인해 보자.

삼각함수는 원래 직각삼각형의 변의 비였지만, 단위원 위에서 다시 정의하면 각이 90°를 넘어가도, 음수가 되어도, 몇 바퀴를 돌아도 자연스럽게 이어진다. 이 확장 덕분에 파동·회전·주기 현상을 수식으로 다룰 수 있다.

1. 직접 해보기

왼쪽 원에서 점 P를 마우스로 끌거나(터치도 가능), 아래 θ 슬라이더를 움직여 보자. 오른쪽 그래프에는 각 θ에서의 sin·cos·tan 값이 실시간으로 쌓인다.

cos θ (가로) sin θ (세로) tan θ (접선) 반지름 OP
θ 45°
θ (도)
45°
θ (라디안)
0.785
sin θ
0.707
cos θ
0.707
tan θ
1.000

2. 원 위의 좌표가 곧 (cos θ, sin θ)

중심이 원점이고 반지름이 1인 원을 단위원이라고 한다. x축 양의 방향에서 시계 반대 방향으로 각 θ만큼 돌았을 때 만나는 원 위의 점을 P라 하면, 정의에 의해

P = (cos θ, sin θ),   tan θ = sin θ / cos θ

왼쪽 그림에서 초록 가로선의 부호 있는 길이가 cos θ, 파란 세로선이 sin θ 다. 주황선은 x = 1 위에 세운 접선까지 잰 길이로, 반지름 OP를 연장했을 때 접선과 만나는 높이가 tan θ 임을 보여준다. cos θ = 0 (θ = 90°, 270° …)이면 접선과 평행해져서 tan θ 는 정의되지 않는다.

호도법 — 각을 길이로 재기

반지름이 1인 원에서 호의 길이로 각을 재는 방법이 호도법(라디안)이다. 원 한 바퀴 호의 길이는 2π 이므로

π rad = 180°,   1 rad = 180°/π ≈ 57.2958°,   θ(rad) = θ(도) × π / 180
도0°30°45°60°90°180°270°360°
라디안0π/6π/4π/3π/2π3π/22π

3. 위젯에서 관찰한 규칙 정리

사분면별 부호

P의 위치에 따라 x좌표(cos)와 y좌표(sin)의 부호가 갈린다. "All Students Take Calculus"처럼 외우기도 한다.

사분면θ 범위sin θcos θtan θ모두 양수인 것
10°~90°+++전부
290°~180°+−−sin
3180°~270°−−+tan
4270°~360°−+−cos

주기 · 최댓값 · 최솟값

θ가 360°(2π) 늘어나면 P는 제자리로 돌아온다. 그래서 sin, cos 는 주기가 2π 이고, 값의 범위는 −1 ≤ sin θ ≤ 1, −1 ≤ cos θ ≤ 1 이다. 반면 tan θ 는 주기가 π 이고 값의 범위에 제한이 없다(±∞ 로 발산).

sin(θ + 2π) = sin θ,   cos(θ + 2π) = cos θ,   tan(θ + π) = tan θ

sin²θ + cos²θ = 1

P = (cos θ, sin θ) 는 반지름이 1인 원 위의 점이므로, 원점에서 P까지의 거리가 항상 1이다. 피타고라스 정리를 그대로 쓰면

(cos θ)² + (sin θ)² = 1² → sin²θ + cos²θ = 1

위젯에서 어떤 각을 잡아도 sin² + cos² 를 계산해 보면 1이 나온다. 이 항등식은 삼각함수 계산의 뼈대다.

그래프의 평행이동과 주기 변화 — y = a sin(bθ)

기본형 y = sin θ 에서

형태바뀌는 것예
y = a sin θ진폭(최대·최소)이 |a| 로y = 2 sin θ → −2 ~ 2
y = sin(bθ)주기가 2π / |b| 로y = sin(2θ) → 주기 π
y = sin(θ − c)그래프가 x축으로 c 만큼 평행이동y = sin(θ − π/2) = −cos θ
y = sin θ + d그래프가 y축으로 d 만큼 평행이동y = sin θ + 1 → 0 ~ 2

실제로 cos θ 는 sin θ 를 왼쪽으로 90° 민 것과 같다: cos θ = sin(θ + π/2). 위젯의 두 그래프를 겹쳐 보면 확인된다.

한 줄 요약 — 삼각함수는 "단위원 위 점의 좌표"다. 가로좌표가 cos, 세로좌표가 sin, 그 비가 tan. 각을 계속 돌리면 좌표가 −1과 1 사이를 오가며 주기 2π의 물결(sin·cos 그래프)이 만들어진다. 관련: 지수와 로그, 푸리에 변환, 원과 직선.