수학 개념 지도
삼각함수(Trigonometric function)

코사인 법칙(Law of cosines)

직각이 아닌 삼각형의 피타고라스 정리⁠(Pythagorean theorem)⁠. 끼인각 C가 직각에서 벗어난 만큼 −2ab cos C로 바로잡는다.

c2=a2+b2−2abcos⁡Cc^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos C

피타고라스 정리는 직각삼각형⁠(right triangle)⁠에서만 성립합니다. a와 b를 그대로 둘 때, 각 C가 직각보다 작으면 마주 보는 변 c는 직각일 때보다 짧아지고, 크면 길어집니다. c2c^2을 a2+b2a^2 + b^2에서 얼마나 바로잡아야 하는지가 정확히 2abcos⁡C2ab\cos C입니다. 노란 꼭짓점⁠(vertex)⁠을 끌면 아래 식의 네 값이 함께 바뀌며 등식이 늘 맞는 것을 볼 수 있습니다.

노란 점을 끌어 삼각형을 바꿉니다. 초록 직사각형(넓이⁠(area)⁠ ab cos C)은 변 b를 변 a 위로 내린 그림자 b cos C에 a를 곱한 것입니다.

보정항의 정체는 정사영⁠(orthogonal projection)⁠입니다. 변 bb를 변 aa가 놓인 직선에 내린 그림자의 길이가 bcos⁡Cb\cos C이고, 여기에 aa를 곱한 것이 초록 직사각형입니다. 그 두 배를 빼면 됩니다. C가 직각이면 그림자가 사라지고(cos 90° = 0) 피타고라스 정리로 돌아옵니다. 둔각이면 그림자가 반대쪽을 향해 보정항이 더해집니다.

벡터⁠(vector)⁠로 쓰면 한 줄입니다. 두 변을 a⃗,b⃗\vec a, \vec b라 하면 ∥a⃗−b⃗∥2=∥a⃗∥2+∥b⃗∥2−2 a⃗⋅b⃗\|\vec a - \vec b\|^2 = \|\vec a\|^2 + \|\vec b\|^2 - 2\,\vec a\cdot\vec b이고, 내적⁠(dot product)⁠ a⃗⋅b⃗=abcos⁡C\vec a\cdot\vec b = ab\cos C이 바로 보정항입니다. 코사인 법칙은 내적의 기하학적 의미를 알려 주는 식이기도 합니다. 코사인⁠(cosine)⁠이 "얼마나 같은 방향인가"를 재는 셈입니다. 꼭짓점 C를 원점에 두고 나머지 두 꼭짓점의 좌표로 거리를 직접 계산해도 같은 식이 나옵니다. 그 계산은 삼각함수의 덧셈정리⁠(angle addition formulas)⁠ 문서에 있습니다.

구 위에도 코사인 법칙이 있습니다. 반지름 1인 구에서 대원⁠(great circle)⁠의 호로 만든 삼각형은 cos⁡c=cos⁡acos⁡b+sin⁡asin⁡bcos⁡C\cos c = \cos a\cos b + \sin a\sin b\cos C를 만족합니다(변의 길이는 라디안⁠(radian)⁠). 하지만 두 점이 가까우면 중심각⁠(central angle)⁠이 아주 작아서 코사인 값이 0.99999999…처럼 1에 너무 가깝습니다. 컴퓨터는 수를 정해진 자릿수까지만 저장하므로 1과의 작은 차이가 반올림에 묻혀, 거기서 되찾은 거리의 오차가 커집니다. 그래서 지구 위의 거리를 잴 때는 작은 각도에서도 정확한 하버사인 공식⁠(haversine formula)⁠을 씁니다.

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삼각함수 원에서 파동으로 별의 위치를 재던 현의 표가 사인이 되고, 열의 흐름을 풀던 푸리에가 모든 파동을 사인으로 쪼갰다. 비유클리드 기하 평행선의 반란 유클리드의 다섯 번째 공준은 2,000년 동안 증명되지 않았다. 증명을 포기한 사람들이 찾은 것은 새로운 우주였다. 거리와 유사도 까마귀와 택시 까마귀는 곧장 날고 택시는 블록을 돌아간다. '얼마나 먼가'에는 답이 하나가 아니고, 어떤 거리를 고르느냐가 통계와 기계 학습의 답을 바꾼다.

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