단위원

단위원(單位圓,unit circle)은 반지름이 1인 원이다. 특별히 해석기하학에서는 원점 $(0,0)$ 을 중심으로 하는 반지름이 1인 원을 말한다. 즉, 원점으로부터 거리가 1 인 점의 자취이다.

많은 경우 단위원은 $S^1$으로 표시한다. 이것은 일반적인 $n$ 차원 구면(sphere) 개념 중 $n=1$의 경우를 뜻한다.

$S^1=\{(x,y)\in {ℝ}^2|x^2+y^2=1\}.$

단위원 위의 임의의 한 점의 삼각매개화

단위원 위의 임의의 점 $P$를 극좌표를 이용하여 나타내는 경우, $(r,\theta )=(1,\theta )$ ($\theta$: 점 $P$와 원점을 이은 반직선 $OP$와 $x$축이 이루는 각, $0$ ≤$\theta$ ≤ $2\pi$)으로 나타낼 수 있다. 또한 이 점을 직교좌표를 이용하여 표현하는 경우, 이 점의 좌표는 $(x,y)$로 나타낼 수 있다.

점 $P$에 의해 만들어지는 직각삼각형

점 $P$에 의해 만들어지는 직각삼각형에 대해, 삼각함수 중 사인 함수와 코사인 함수의 정의를 적용하면 $sin\theta =\frac{y}{r},cos\theta =\frac{x}{r}$으로 나타낼 수 있다.

단위원의 경우, 원점으로부터의 거리 $r=1$이므로 $y=sin\theta ,x=cos\theta$로 정리할 수 있다.

이와 같은 방식으로 삼각함수의 정의를 이용하여 단위원 위의 모든 점을 '원점으로부터의 거리($r$)'와 '$x$축의 양의 방향과 이루는 각도($\theta$)'로 나타내는 것을 '단위원의 삼각매개화'라 한다.

단위원 위의 임의의 한 점의 유리매개화

단위원 위의 임의의 한 점 $P$를 유리매개화 하기 위해, 기울기가 $t$($t$: 임의의 실수)이고 단위원 위의 한 점인 $(-1,0)$을 지나는 직선 $l$을 생각한다. 이 경우, 직선 $l$은 단위원과 2개의 교점을 갖는다. 하나는 $(-1,0)$, 다른 하나는 유리매개화를 하려고 하는 임의의 점 $P$가 된다. 따라서 단위원의 원의 방정식과 직선 $l$의 방정식을 연립하여 점 $P$의 좌표를 찾아낸다면, 임의의 실수 $t$에 대해 원 위의 모든 점(단, $(-1,0)$은 제외)을 유리매개화 할 수 있다.

단위원의 원의 방정식: $x^2+y^2=1.$

직선$l$의 직선의 방정식: $y=tx+t.$

직선$l$의 방정식을 원의 방정식에 대입하여 변수 $y$를 소거하면 $x$에 대한 이차방정식을 얻을 수 있다.

$x^2+(tx+t{)}^2=1.$

$\Rightarrow x^2+t^2{x}^2+2t^{2}x+t^2-1=0.$

$\Rightarrow (1+t^2)x^2+2t^{2}x+(t^2-1)=0.$

얻어낸 $x$의 이차방정식을 근의 공식을 이용하여 근을 찾아내면 그것이 점 $P$의 $x$좌표가 된다.

$x=\frac{-t^2\pm \sqrt{t^4-(t^2-1)(t^2+1)}}{(1+t^2)}=\frac{-t^2\pm \sqrt{t^4-(t^4-1)}}{(1+t^2)}=\frac{-t^2\pm \sqrt{t^4-t^4+1}}{(1+t^2)}=\frac{t^2\pm 1}{1+t^2}.$

$\therefore x=-1$ 또는 $x=\frac{1-t^2}{1+t^2}.$

따라서, 점 $P$의 $x$좌표는 $x=\frac{1-t^2}{1+t^2}$이다. $x$좌표를 직선 $l$의 방정식에 대입하여 $y$좌표도 찾아, 점 $P$의 좌표를 완성시키면 다음과 같다.

단위원과 직선$l$의 교점: $P=(\frac{1-t^2}{1+t^2},\frac{2t}{1+t^2})$.

이와 같은 방식으로 원과 두 개의 교점을 갖는 직선을 이용하여 단위원 위의 모든 점의 좌표(단, $(-1,0)$제외, $t$가 $\pm \mathrm{\infty }$로 발산하는 경우 점 $P$는 $(-1,0)$로 수렴한다)를 임의의 실수 $t$에 대한 식으로 나타내는 것을 '단위원의 유리매개화'라고 한다.

참고) 단위원 위의 임의의 한 점의 유리매개화를 통해 단위원과 임의의 곡선 $g(x,y)$의 교점의 개수를 구할 수 있다.

예를 들어, $f(x,y)=x^2+y^2-1,g(x,y)=0$ 라 하자. 단, $f(x,y)$는 단위원 $g(x,y)$는 임의의 곡선이며 $g(x,y)$의 차수는 $n$이라 하자.

결론부터 말하자면, $f(x,y)$와 $g(x,y)$의 교점의 개수는 많아야 $2n$개 이하이다.

우선, 두 곡선 $f(x,y)$와 $g(x,y)$의 교점 $Q$는 단위원의 유리매개화를 통해 $(-1,0)$을 제외한 모든 점에서 아래와 같이 유리매개화할 수 있다.

$Q=(\frac{1-t^2}{1+t^2},\frac{2t}{1+t^2})$

이 때, $(x,y)=(\frac{1-t^2}{1+t^2},\frac{2t}{1+t^2})$로 놓을 수 있고 $g(x,y)=g(\frac{1-t^2}{1+t^2},\frac{2t}{1+t^2})=0$이다.

여기서 $g(x,y)=g(\frac{1-t^2}{1+t^2},\frac{2t}{1+t^2})=0$을 만족하는 $t$의 개수가 교점의 개수이다.

따라서 우리가 알고 싶은 것은 $t$의 차수(degree)이므로, $t$에 대해 정리한 각 항의 일반적인 형태는 다음과 같다.

$C$_ij$(\frac{1-t^2}{1+t^2}{)}^i$$(\frac{2t}{1+t^2}{)}^j$$=$$C$_ij$\frac{(1-t^2{)}^i(2t{)}^j}{(1+t^2{)}^{i+j}}$

(단, $C$_ij는 각 항의 계수이며, i+j<n이다.)

그리고 위 식 우변에 $(1+t^2)$^i+j을 곱하면,

$C$_ij$(1-t^2{)}^i(2t{)}^j(1+t^2{)}^{n-i+j}$

그러므로 차수($degree$)를 생각하면 다음과 같다.

$2i+j+2n-2(i+j)$

$=2n-j<2n$

따라서 $t$의 차수가 $2n$보다 작으므로 단위원과 임의의 곡선 $g(x,y)$의 교점의 개수는 많아야 $2n$개 이하이다.

복소평면의 단위원

복소평면상의 단위원은 절댓값이 1 인 복소수의 자취

{z ∈ C | |z| = 1} = {exp(iθ) | 0 ≤ θ < 2π}

가 된다 (exp는 자연대수의 밑인 e 을 밑으로 하는 복소변수 지수함수). 이 집합은 복소수의 통상의 곱에 관해서 닫혀 있고 군(群, group)을 이루어 원주군 (circle group)으로 불리기도 한다. 이것은 또 1차원의 유니타리 군으로 불리는 리 군이며 U(1)라고 표시한다.

같이 보기

• 삼각함수
• 단위정육면체
• 단위구
• 단위정사각형