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중학교 교육과정에서 처음 삼각함수를 배울 때 드는 의문점이 있다. 왜 삼각함수의 특수각은 0, 30, 45, 60, 90도 밖에 안 알려주는 것일까? 정말로 다른 각도들에 대해서는 너무 어려운 삼각비가 나오거나, 혹은 간단한 삼각비가 나오는 각도들은 모두 복잡한 것일까? 각도와 삼각비가 동시에 간단한 경우는 우리가 학창시절에 배웠던 것처럼 몇 안 되는 것 인지, 본 게시물에서 밝혀보겠다.

 

1. 삼각함수 특수각의 정의

나는 삼각함수의 특수각을 아래와 같이 정의하였다.

 

정의 1.1 (특수각) 정수 n,m,p,q에 대해 아래를 만족하는 각도 mπn를 특수각으로 정의한다.

sin2(mπn)=qp

 

즉, 평각의 유리수 배 각도의 사인 함수의 제곱이 유리수가 되는 경우를 특수각이라고 정의하였다.

이는 충분히 확장적인 정의이다. 왜냐하면 sin2x+cos2x=1 이므로 코사인에 대해서도 필요충분조건으로 성립하며, tanx=sinxcosx 이므로 탄젠트도 마찬가지이다. 또한, 우리가 아는 특수각도 모두 π6,π4,π3,π2로 모두 정의에 부합한다.

 

2. 삼각함수의 배각 공식 일반화

삼각함수의 덧셈 정리라고하면 sin(x+y)=sinxcosy+cosxsiny, cos(x+y)=cosxcosysinxsiny 가 있다. 이를 통해 흔히 배각 공식이라고 하는 sin(2x)=2sinxcosx, cos(2x)=cos2xsin2x가 유도된다.

일반화하여 sin(nx), cos(nx) 또한 sinxcosx의 항으로 표현할 수 있다.

 

정리 2.1 모든 자연수 n에 대해 다음이 성립한다.

sin(nx)=2r+1nr=0(1)r(n2r+1)cosn2r1xsin2r+1xcos(nx)=2rnr=0(1)r(n2r)cosn2rxsin2rx

(증명) n에 대한 귀납법을 쓰면 sin(nx+x),cos(nx+x)로 생각보다 어렵지 않게 증명할 수 있다.

 

놀라운 사실은 cossin이 모두 제곱 간격으로 항이 분리된다는 것이다. 이는 우리에게 아주 중요한 점을 시사해준다.

 

정리 2.2 만약 x가 특수각이라면, 임의의 정수 m에 대해, mx도 특수각이다.

(증명) sin2x=qp이라면, sin(mx)는 다음 항목들의 곱으로 인수분해된다.

  1. sin2xcos2x(=1qp)으로 구성된 다항식
  2. sinx
  3. (m이 짝수인 경우만) cosx

(1), (2), (3) 부분 모두 제곱하면 유리수이므로, sin2(mx)는 유리수이다.

 

3. 삼각함수와 특성방정식

이를 특성방정식이라 칭하는게 맞는지는 모르겠지만.. sin2(mπn)에 대한 일반 배각 공식을 통해 하나의 등식을 세울 수 있다.

\begin{align} \sin \left( n \cdot \frac{m \pi}{n} \right) &= \sum_{r=0}^{2r+1 \leq n} (-1)^r \binom{n}{2r+1} \cos^{n-2r-1} \left( \frac{m\pi}{n} \right) \cdot \sin^{2r+1} \left( \frac{m\pi}{n} \right) = 0 \end{align}

n이 홀수인 경우와 짝수인 경우를 나누면 상세히 전개 가능하다.

 

(1) n이 홀수인 경우 (n = 2k + 1)

\begin{align} 0 &= \sum_{r=0}^{2r+1 \leq n} (-1)^r \binom{n}{2r+1} \cos^{n-2r-1} \left( \frac{m\pi}{n} \right) \cdot \sin^{2r+1} \left( \frac{m\pi}{n} \right) \\ &= \sin \left( \frac{m\pi}{n} \right) \cdot \sum_{r=0}^k (-1)^r \binom{n}{2r+1} \cos^{2k-2r} \left( \frac{m\pi}{n} \right) \cdot \sin^{2r} \left( \frac{m\pi}{n} \right) \\ &= \sin \left( \frac{m\pi}{n} \right) \cdot \sum_{r=0}^k (-1)^r \binom{n}{2r+1} (1 - \alpha )^{k-r} \alpha^r \end{align}

 

(2) n이 짝수인 경우 (n = 2k)

\begin{align} 0 &= \sum_{r=0}^{2r+1 \leq n} (-1)^r \binom{n}{2r+1} \cos^{n-2r-1} \left( \frac{m\pi}{n} \right) \cdot \sin^{2r+1} \left( \frac{m\pi}{n} \right) \\ &= \sin \left( \frac{m\pi}{n} \right) \cdot \cos \left( \frac{m\pi}{n} \right) \cdot \sum_{r=0}^{k-1} (-1)^r \binom{n}{2r+1} \cos^{2k-2r-2} \left( \frac{m\pi}{n} \right) \cdot \sin^{2r} \left( \frac{m\pi}{n} \right) \\ &= \sin \left( \frac{m\pi}{n} \right) \cdot \cos \left( \frac{m\pi}{n} \right) \cdot \sum_{r=0}^{k-1} (-1)^r \binom{n}{2r+1} (1 - \alpha )^{k-1-r} \alpha^r \end{align}

 

이 특성방정식을 세운 목적은 삼각비 \alpha의 해를 다른 각도로 바라보기 위함이다. \sin \frac{m\pi}{n} 혹은 \cos \frac{m\pi}{n}0이 되는 자명한 경우를 제외한다면 n의 홀짝성에 상관없이 아래 방정식을 얻어낼 수 있다. (u는 대충 n/2 정도 되는 자연수이다.)

\binom{n}{1} (1-\alpha)^u \alpha^0 - \binom{n}{3} (1-\alpha)^{u-1} \alpha^1 + \binom{n}{5} (1-\alpha)^{u-2} \alpha^2 - \cdots = 0

이에 대한 유리근 \alpha가, \sin^2 \frac{\pi}{6}, \sin^2 \frac{\pi}{4}, \sin^2 \frac{\pi}{3}, \sin^2 \frac{\pi}{2}(=\frac{1}{4}, \frac{1}{2}, \frac{3}{4}, 1) 이외에도 존재한다면 우리가 모르는 특수각이 하나 이상 있다는 것이다!

 

4. 또 다른 특수각은 없다

3절에서 마무리한 등식의 양변을 (1 - \alpha)^u으로 나누고 t \triangleq \frac{\alpha}{\alpha - 1}으로 두면, 아래와 같은 등식이 성립한다.

f_n(t) \triangleq \binom{n}{1} t^0 + \binom{n}{3} t^1 + \binom{n}{5} t^2 + \cdots = 0

\alpha가 유리수인 조건과 t가 유리수인 조건은 필요충분조건으로 연결되어있다. 즉, 위 t에 대한 방정식 f_n(t) = 0에서 t의 유리수 근의 존재성이 특수각을 밝히는데 중요한 역할을 해줄 것이다.

 

n이 홀수인 경우 위 식의 최고차항(t^{(n-1)/2})의 계수는 \binom{n}{n} = 1이고, 상수항(t^0)의 계수는 \binom{n}{1} = n이다. 유리근 정리에 의해 유리근 tn의 약수밖에 될 수 없다! 애초에 t는 양수가 될 수 없으므로 음의 약수들만 근으로 고려해보면 된다. 또한, t = -1인 경우는 \alpha = \frac{1}{2}, 즉 우리가 이미 알고있는 특수각 \frac{\pi}{4}에 해당하는 것이므로 고려하지 않겠다.

 

정리 4.1 p \geq 5인 소수 p와, 그와 서로소인 정수 q에 대해, \frac{q\pi}{p}는 특수각이 될 수 없다.

(증명) 위에서 밝인 사실에 의해 t = -p에 대해서 등식 f_{p}(t) = 0이 성립하지 않음을 증명하면 충분하다.

정수 x에 대해, k_p(x) \triangleq \max\{k \in \mathbb Z : p^k | x\}로 정의하자. k_p(p!) = 1이고, x < p인 자연수 x에 대해 k_p(x!) = 0이다.

k_p\left(\binom{p}{1} (-p)^0 \right) = 1이고, 모든 r \geq 1에 대해 k_p \left(\binom{p}{2r+1} (-p)^r\right) \geq 2이다. 따라서 f_p(-p)p^2으로 나누어떨어지지 않는다. 그러므로 f_p(-p) \neq 0이고, t =-1 이외의 유리근을 가지지 않는다.

 

따름정리 4.2 \frac{m\pi}{n}이 특수각이라면 n의 소인수는 2 혹은 3 밖에 없다.

(증명) 정리 2.2와 정리 4.1으로 유도된다.

 

k_8, k_9, k_{12}가 각각 8, 9, 12와 서로소인 정수일 때, \sin^2 \frac{k_8\pi}{8}, \sin^2 \frac{k_9\pi}{9}, \sin^2 \frac{k_{12}\pi}{12}는 모두 특수각이 아니다. 오직 23만을 소인수로 가지는 임의의 자연수 n1, 2, 3, 4, 6을 제외한다면 모두 8, 9, 12 중 적어도 하나의 배수이다. 그러므로 더 이상의 특수각은 존재하지 않는다.

 


수학은 위대하고 간결하고 아름답다. 삼각함수와 유리수 두 개념은 동떨어져보이지만, 제법 아름다운 연결점을 발견한 것 같아서 뿌듯하다.

앞으로 삼각비를 처음 접하는 호기심 가득한 꿈나무들이 같은 질문을 했을 때, '그냥 외워라'는 대답보다는 이 글이 좀 더 원론적이고 적절하지 않을까 기대해본다.

 

부록. 남은 증명들

정리 A.1 k_99와 서로소인 정수일 때, \sin^2 \frac{k_9 \pi}{9}는 무리수이다.

..proof

\sin^2 \frac{k_9 \pi}{9}가 유리수라면 방정식 f_9(x) = 0의 근도 유리수이다.

f_9(x) = 9 + 84x + 126x^2 + 36x^3 + x^4 = 0

인데, 유리근 정리에 의해 \pm 1, \pm 9 이외의 유리근을 가질 수 없다. 모두 근이 아니므로 \sin^2 \frac{k_9 \pi}{9}는 무리수이다.

정리 A.2 k_8, k_{12}가 각각 8, 12와 서로소인 정수일 때, \sin^2 \frac{k_8 \pi}{8}\sin^2 \frac{k_{12}\pi}{12}는 무리수이다.

(증명) 반각 공식을 이용하여 하나씩 모두 계산해보면 제곱해도 유리화가 안 되는 루트가 있는 값이 나온다.