수학의 시각화 [desmos]

[desmos] 곡선을 그려보자. - 에피사이클로이드

uncle mathian 2024. 11. 15. 10:40
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지난번에 그려봤던 사이클로이드는 직선 위를 굴러가는 원으로 만들었죠. 에피사이클로이드 epicycloid와 하이포사이클로이드 hypocycloid는 직선이 아니라 원 위를 굴러가는 원으로 만들어요.

평면에서 원 위를 다른 원이 굴러가려면, 내부와 외부의 경우로 나뉘죠. 외부에서 굴러가며 만들어지는 곡선을 에피사이클로이드, 내부의 경우 하이포사이클로이드라고 해요.

위의 곡선이 에피사이클로이드 중 하나인 심장형 곡선, 카디오이드 cardioid예요. 기준이 되는 고정된 원(기초원)과 굴러가는 원(구름원 epicycle)의 반지름이 같은 경우죠. 에피사이클로이드는 두 원의 반지름 길이 비에 따라 모양이 달라져요. 기초원의 반지름 길이가 구름원의 유리수 pq (pq는 서로소인 양의 정수) 배라면 곡선이 기초원 주위를 q바퀴 회전해서 제자리로 돌아와 같은 움직임을 계속하지만, 무리수 배라면 겹치는 부분은 있어도 기초원 위의 점에서는 만나지 않아서 같은 궤적이 반복되지 않아요. 원이 굴러가며 닿았던 호의 길이를 이동거리로 생각하면 알 수 있죠.

위의 그림은 사실 카디오이드만 나타낸 그림이 아니에요. 그림의 링크로 들어가면 슬라이더로 두 원의 길이 비를 바꿀 수 있죠. 분자는 1에서 6까지, 분모는 1에서 5까지의 정수로 줄 수 있어요. GeoGebra에서도 그랬지만, 슬라이더 변수가 정수 값만 가지게 하려면 범위와 간격을 모두 정수로 주면 되죠.

기초원이 원점을 중심으로 하고 반지름 길이가 R일 때, 구름원의 반지름 길이가 r이면 에피사이클로이드는 매개변수 방정식x=(R+r)costrcos(R+rrt),y=(R+r)sintrsin(R+rrt)로 표현할 수 있어요. 각 변수를 나타낸 식의 앞의 항은 구름원의 중심을 나타내고, 뒤의 항은 그 원에서 곡선을 그리는 한 점의 위치를 표현하죠.

저는 그림이 반지름 길이가 1인 원 안에 모두 나타나게 하고싶어서  기초원의 반지름에 구름원의 지름을 더한 길이가 1이 되도록 정했어요. 그래서 두 원의 비를 바꿔도 확대나 축소를 할 필요가 없죠.

나머지는 위치에 맞게 원과 선분을 그리고 위의 식을 정해지지 않은 변수에 대한 함수로 정의해서 지난번에 사이클로이드 곡선을 그린 방식처럼 표현했죠. 특히 이번에는 원점을 중심으로 회전하는 형태라 복소수 표현이 더 유용했어요.

하이포사이클로이드도 같이 그려볼까 했지만, 그리는데 주의할 점이 달라 다음 기회에 자세히 다뤄볼게요.

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