BETAInsomnia Studyroom직선의 방정식
직선의 방정식

22개정 교과과정

공통수학2

도형의 방정식, 집합과 명제, 함수와 그래프를 한국어 강의와 체크포인트로 정리합니다.

2022 개정 고등학교 수학의 공통 과목 흐름에 맞춰 좌표, 논리, 함수 해석을 단계적으로 학습합니다.

22개정 · 도형의 방정식

직선의 방정식

직선의 방정식은 한 직선 위의 모든 점이 만족하는 공통 조건입니다. 기울기와 한 점, 두 점, 절편, 일반형의 계수를 서로 연결하면 다양한 도형 문제를 식으로 해결할 수 있습니다.

1. 직선의 방정식이 뜻하는 것

좌표평면의 점 \((x,y)\) 중에서 하나의 일차방정식을 만족하는 점을 모두 모으면 직선이 됩니다. 예를 들어 \(y=2x+1\)에는 \((0,1)\), \((1,3)\), \((-1,-1)\)처럼 식을 참으로 만드는 모든 점이 놓입니다.

  • 점이 직선 위에 있다: 그 점의 좌표를 방정식에 대입했을 때 등식이 성립합니다.
  • 직선의 방정식을 구한다: 주어진 조건을 만족하는 모든 점의 공통 식을 찾습니다.
  • 직선을 그린다: 방정식을 만족하는 서로 다른 두 점을 찾아 연결하면 충분합니다.

2. 기울기는 방향을 나타내는 비율

A(x₁,y₁) B(x₂,y₂) Δx=x₂-x₁ Δy=y₂-y₁
기울기 = 세로 변화량 ÷ 가로 변화량같은 직선 위에서 어느 두 점을 택해도 닮은 직각삼각형이 만들어져 변화량의 비가 일정합니다.

서로 다른 두 점 \(A(x_1,y_1)\), \(B(x_2,y_2)\)를 지나는 직선에서 \(x_1\ne x_2\)이면 기울기는

\[ \boxed{m=\frac{\Delta y}{\Delta x} =\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}} \]
  • \(m>0\): x가 증가할 때 그래프가 올라갑니다.
  • \(m<0\): x가 증가할 때 그래프가 내려갑니다.
  • \(m=0\): 수평선이며 방정식은 \(y=b\)입니다.
  • \(x_1=x_2\): 분모가 0이어서 기울기를 정의할 수 없고, 수직선의 방정식은 \(x=a\)입니다.

두 점의 순서를 동시에 바꾸면 분자와 분모의 부호가 모두 바뀌므로 기울기는 그대로입니다.

3. 한 점과 기울기

기울기가 \(m\)이고 점 \(P(x_1,y_1)\)을 지나는 직선 위의 임의의 점을 \(X(x,y)\)라 하면

\[ m=\frac{y-y_1}{x-x_1} \quad\Rightarrow\quad \boxed{y-y_1=m(x-x_1)} \]

이를 점-기울기형이라고 합니다. 주어진 점을 식에 바로 넣을 수 있어 가장 안전한 출발식입니다.

4. 두 점을 지나는 직선

\(x_1\ne x_2\)이면 먼저 두 점으로 기울기를 구한 뒤 점-기울기형에 넣습니다.

\[ y-y_1=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}(x-x_1) \]

\(x_1=x_2\)이면 기울기 공식을 사용하지 않고 바로 \(x=x_1\)이라 씁니다.

5. 기울기-절편형

수직선이 아닌 직선은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

\[ \boxed{y=mx+b} \]

\(m\)은 기울기이고 \(b\)는 y축과 만나는 점 \((0,b)\)의 y좌표입니다. 그래프를 빠르게 읽고 그릴 때 편리합니다.

6. 일반형

직선의 방정식을 한쪽으로 정리하면

\[ \boxed{ax+by+c=0}\qquad(a,b\text{가 동시에 }0\text{은 아님}) \]

\(b\ne0\)이면 \(y=-\frac abx-\frac cb\)이므로 기울기는 \(-a/b\)입니다. \(b=0\)이면 \(x=-c/a\)인 수직선입니다. 일반형은 수직선까지 한 식으로 다룰 수 있고 평행·수직 조건을 계수로 판단하기 좋습니다.

7. 절편으로 직선 그리기

\(ax+by+c=0\)에서 \(y=0\)을 대입하면 x절편, \(x=0\)을 대입하면 y절편을 얻습니다. 두 절편이 각각 \(p,q\)이고 둘 다 0이 아니면

\[ \frac{x}{p}+\frac{y}{q}=1 \]

입니다. 두 절편을 좌표평면에 표시해 연결하면 직선을 빠르게 그릴 수 있습니다.

8. 주어진 정보에 맞는 식 선택하기

주어진 정보추천 출발식주의할 점
기울기와 y절편\(y=mx+b\)수직선에는 사용할 수 없습니다.
기울기와 한 점\(y-y_1=m(x-x_1)\)괄호 안 좌표의 부호를 확인합니다.
서로 다른 두 점기울기 계산 후 점-기울기형x좌표가 같은지 먼저 확인합니다.
축과 평행\(y=b\) 또는 \(x=a\)수평선과 수직선을 바꾸지 않습니다.
평행·수직 조건기울기 또는 일반형 계수수직선 예외는 일반형이 더 안전합니다.

9. 두 직선의 평행 조건

수직선이 아닌 서로 다른 두 직선의 기울기가 \(m_1,m_2\)일 때

\[ \boxed{m_1=m_2\Rightarrow \text{평행}} \]

일반형 \(l_1:a_1x+b_1y+c_1=0\), \(l_2:a_2x+b_2y+c_2=0\)에서는

\[ \boxed{a_1b_2-a_2b_1=0} \]

이면 두 직선의 방향이 같습니다. 단, 세 계수 전체가 같은 비율이면 서로 다른 평행선이 아니라 같은 직선일 수 있으므로 별도로 확인합니다.

10. 두 직선의 수직 조건

두 기울기가 모두 정의되면 수직 조건은

\[ \boxed{m_1m_2=-1} \]

입니다. 즉, 한 기울기가 \(m\ne0\)이면 수직인 직선의 기울기는 \(-1/m\)입니다. 일반형에서는 수평·수직선까지 포함하여

\[ \boxed{a_1a_2+b_1b_2=0} \]

을 사용할 수 있습니다. 수평선 \(y=b\)와 수직선 \(x=a\)는 서로 수직이지만, 수직선의 기울기는 정의되지 않으므로 기울기 곱을 억지로 계산하지 않습니다.

11. 점과 직선 사이의 거리

점 \(P(x_0,y_0)\)에서 직선 \(l:ax+by+c=0\)까지의 거리는 \(P\)에서 \(l\)에 내린 수선의 길이입니다.

\[ \boxed{d=\frac{|ax_0+by_0+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}} \]

\((a,b)\)는 직선에 수직인 방향을 나타냅니다. 분자 \(ax_0+by_0+c\)는 점을 직선의 식에 대입한 값이고, 분모 \(\sqrt{a^2+b^2}\)는 계수의 크기를 보정합니다. 따라서 방정식 전체를 같은 수로 곱해도 거리는 변하지 않습니다.

  1. 직선의 식을 반드시 \(ax+by+c=0\)으로 정리합니다.
  2. 점의 좌표를 분자에 대입하고 절댓값을 취합니다.
  3. \(\sqrt{a^2+b^2}\)로 나누고 근호를 정리합니다.

같은 \(a,b\)를 가진 평행선 \(ax+by+c_1=0\), \(ax+by+c_2=0\) 사이의 거리는 한 직선 위의 점에서 다른 직선까지의 거리이므로

\[ d=\frac{|c_1-c_2|}{\sqrt{a^2+b^2}} \]

입니다. 두 식의 x, y 계수가 다르면 먼저 같은 계수로 맞춰야 합니다.

12. 대표 예제

예제 1: 한 점과 기울기

점 \((2,-1)\)을 지나고 기울기가 3인 직선은

\[ y+1=3(x-2)\Rightarrow y=3x-7. \]

예제 2: 두 점을 지나는 직선

\(A(-1,4)\), \(B(3,-2)\)를 지나면 \(m=(-2-4)/(3+1)=-3/2\)이므로

\[ y-4=-\frac32(x+1) \Rightarrow 3x+2y-5=0. \]

두 점을 마지막 식에 대입하면 모두 0이 되어 검산할 수 있습니다.

예제 3: 수직선

\((-4,1)\), \((-4,6)\)은 x좌표가 같으므로 직선의 방정식은 \(x=-4\)입니다.

예제 4: 일반형에서 정보 읽기

\(3x-2y+6=0\)을 정리하면 \(y=\frac32x+3\)입니다. 따라서 기울기는 \(3/2\), y절편은 3, x절편은 \(-2\)입니다.

예제 5: 주어진 직선과 평행

\(2x-3y+4=0\)과 평행하고 \((3,-1)\)을 지나는 직선은 앞의 두 계수를 유지하여 \(2x-3y+c=0\)으로 둡니다.

\[ 2(3)-3(-1)+c=0\Rightarrow c=-9, \]

따라서 \(2x-3y-9=0\)입니다.

예제 6: 주어진 직선과 수직

\(x+2y-5=0\)과 수직인 직선의 일반형을 \(2x-y+c=0\)으로 둘 수 있습니다. 두 법선계수의 내적이 \(1\cdot2+2\cdot(-1)=0\)이기 때문입니다. 이 직선이 \((2,3)\)을 지나므로 \(c=-1\), 즉

\[ 2x-y-1=0 \]

입니다.

예제 7: 문자가 있는 직선

직선 \((k-1)x+2y-3=0\)이 점 \((1,2)\)를 지나면

\[ (k-1)+4-3=0\Rightarrow k=0. \]

예제 8: 선분의 수직이등분선

\(A(-2,1)\), \(B(4,5)\)의 중점은 \((1,3)\), \(AB\)의 기울기는 \(2/3\)입니다. 수직이등분선의 기울기는 \(-3/2\)이므로

\[ y-3=-\frac32(x-1) \Rightarrow 3x+2y-9=0. \]

예제 9: 점과 직선 사이의 거리

점 \(P(2,-1)\)과 직선 \(3x-4y+5=0\) 사이의 거리는

\[ d=\frac{|3(2)-4(-1)+5|}{\sqrt{3^2+(-4)^2}} =\frac{15}{5}=3. \]

13. 문제 해결과 검산 전략

  1. 직선이 수직선인지 먼저 확인합니다.
  2. 주어진 정보에 맞는 표현을 선택합니다.
  3. 두 점으로 기울기를 구할 때 분자와 분모의 점 순서를 맞춥니다.
  4. 점-기울기형에서 시작해 요구된 형태로 정리합니다.
  5. 주어진 점을 최종식에 대입하여 등식이 성립하는지 확인합니다.
  6. 평행 문제는 기울기 또는 \(a_1b_2-a_2b_1\), 수직 문제는 기울기 곱 또는 \(a_1a_2+b_1b_2\)로 다시 확인합니다.

14. 자주 하는 실수

  • 기울기에서 x좌표는 \(x_2-x_1\), y좌표는 \(y_1-y_2\)처럼 서로 다른 순서로 빼는 실수
  • x좌표가 같은 두 점에 기울기 공식을 적용하여 0으로 나누는 실수
  • \((x_1,y_1)=(-2,3)\)일 때 \(x-x_1=x-2\)로 쓰는 부호 실수
  • 평행한 직선의 y절편까지 같게 만들어 같은 직선을 쓰는 실수
  • 수직 기울기를 단순히 부호만 바꾸거나 역수만 취하는 실수
  • 수평선 \(y=b\)와 수직선 \(x=a\)을 뒤바꾸는 실수
  • 일반형에서 기울기를 \(a/b\)로 읽고 앞의 음수를 빠뜨리는 실수
  • 점과 직선 사이 거리 공식에서 절댓값이나 분모 \(\sqrt{a^2+b^2}\)를 빠뜨리는 실수
  • 평행선 사이의 거리를 구할 때 두 직선의 x, y 계수를 먼저 맞추지 않는 실수
  • 구한 방정식이 주어진 점을 실제로 지나는지 검산하지 않는 실수

15. 연습문제

(1) 점 \((2,-1)\)을 지나고 기울기가 3인 직선의 방정식을 구하세요.

(2) 두 점 \((-2,5)\), \((4,-1)\)을 지나는 직선의 방정식을 구하세요.

(3) 두 점 \((3,2)\), \((3,-4)\)를 지나는 직선의 방정식을 구하세요.

(4) \(4x+2y-8=0\)의 기울기, x절편, y절편을 구하세요.

(5) \(3x+y-2=0\)과 평행하고 점 \((-1,4)\)를 지나는 직선의 방정식을 구하세요.

(6) \(2x-y+1=0\)과 수직이고 점 \((1,1)\)을 지나는 직선의 방정식을 구하세요.

(7) \(kx+3y-6=0\)과 \(2x-y+4=0\)이 평행할 때 \(k\)를 구하세요.

(8) \(ax+2y-5=0\)과 \(3x-6y+1=0\)이 수직일 때 \(a\)를 구하세요.

(9) 점 \((2,1)\)이 직선 \((t+1)x-ty+3=0\) 위에 있을 때 \(t\)를 구하세요.

(10) \(A(0,2)\), \(B(4,0)\)를 잇는 선분의 수직이등분선의 방정식을 구하세요.

(11) x절편이 6이고 y절편이 \(-3\)인 직선의 방정식을 구하세요.

(12) \(y=1.5x+2\)가 시간 \(x\)시간과 물의 높이 \(y\)cm의 관계를 나타낼 때 기울기와 y절편을 상황에 맞게 해석하세요.

(13) 점 \(P(1,2)\)와 직선 \(2x-y+4=0\) 사이의 거리를 구하세요.

(14) 두 평행선 \(3x-4y+2=0\), \(3x-4y-8=0\) 사이의 거리를 구하세요.

연습문제 해설 보기

(1) \(y+1=3(x-2)\)이므로 \(y=3x-7\).

(2) 기울기는 \(-1\). \(y-5=-(x+2)\)이므로 \(x+y-3=0\).

(3) x좌표가 모두 3이므로 \(x=3\).

(4) \(y=-2x+4\)이므로 기울기는 \(-2\), x절편은 \((2,0)\), y절편은 \((0,4)\).

(5) \(3x+y+c=0\)에 \((-1,4)\)를 대입하면 \(c=-1\). 따라서 \(3x+y-1=0\).

(6) 주어진 직선의 기울기는 2이므로 수직인 기울기는 \(-1/2\). \(y-1=-\frac12(x-1)\), 즉 \(x+2y-3=0\).

(7) \(k\cdot(-1)-2\cdot3=0\)이므로 \(k=-6\).

(8) 일반형 수직 조건에서 \(3a+2(-6)=0\)이므로 \(a=4\).

(9) \(2(t+1)-t+3=0\)이므로 \(t=-5\).

(10) 중점은 \((2,1)\), \(AB\)의 기울기는 \(-1/2\)이므로 수직이등분선의 기울기는 2. 따라서 \(y-1=2(x-2)\), 즉 \(2x-y-3=0\).

(11) \(\frac{x}{6}+\frac{y}{-3}=1\)이므로 \(x-2y=6\).

(12) 기울기 1.5는 시간이 1시간 늘 때 물의 높이가 1.5 cm씩 증가함을 뜻합니다. y절편 2는 측정을 시작한 \(x=0\)일 때 높이가 2 cm임을 뜻합니다.

(13) \(d=\frac{|2(1)-2+4|}{\sqrt{2^2+(-1)^2}}=\frac4{\sqrt5}=\frac{4\sqrt5}{5}\).

(14) x, y 계수가 같으므로 \(d=\frac{|2-(-8)|}{\sqrt{3^2+(-4)^2}}=2\).

Checkpoint

점 \((2,-1)\)을 지나고 기울기가 3인 직선의 방정식을 점-기울기형과 일반형으로 나타내고, 점 \((3,2)\)가 이 직선 위에 있는지 확인하세요.

정답과 해설 보기

점-기울기형은 \(y+1=3(x-2)\)입니다. 정리하면 \(3x-y-7=0\)입니다. \((3,2)\)를 대입하면 \(9-2-7=0\)이므로 이 점은 직선 위에 있습니다.