평행이동
평행이동
평행이동(平行移動, Translation)은 기하학에서 도형이나 점, 선분, 또는 전체 평면상의 객체를 특정 방향으로 일정한 거리만큼 이동시키는 변환을 말한다. 이 과정에서 도형의 크기, 모양, 방향은 그대로 유지되며, 오직 위치만 변화한다. 평행이동은 합동 변환(congruence transformation)의 한 종류로, 도형 간의 합동 관계를 유지하는 중요한 기하적 연산이다.
개요
평행이동은 일상생활에서도 흔히 관찰할 수 있다. 예를 들어, 책을 책상 위에서 오른쪽으로 밀면 책의 위치는 바뀌지만 모양이나 방향은 변하지 않는다. 이러한 개념을 수학적으로 엄밀히 정의하고, 좌표평면이나 벡터를 이용해 표현하는 것이 평행이동의 핵심이다.
평행이동은 기하학뿐 아니라 컴퓨터 그래픽스, 물리학, 로봇 공학 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 좌표계 변환과 애니메이션에서 중요한 역할을 한다.
정의와 성질
정의
평행이동은 평면 또는 공간상의 모든 점을 동일한 벡터만큼 이동시키는 변환이다. 즉, 어떤 점 ( P(x, y) )가 벡터 ( \vec{v} = \langle a, b \rangle )에 따라 이동하면, 그 결과는 새로운 점 ( P'(x+a, y+b) )가 된다.
수식으로 표현하면:
[ T_{\vec{v}}(P) = P + \vec{v} ]
여기서 ( T_{\vec{v}} )는 벡터 ( \vec{v} )에 대한 평행이동 함수를 의미한다.
성질
- 모양과 크기 보존: 평행이동 후 도형의 길이, 각도, 면적 등은 변하지 않으며, 원래 도형과 합동이다.
- 방향 보존: 도형의 방향(예: 시계 방향 또는 반시계 방향)도 유지된다.
- 선분의 평행성 유지: 선분은 평행이동 후에도 원래와 평행한 위치로 이동한다.
- 고정점 없음: 일반적인 평행이동은 도형 위의 어떤 점도 고정시키지 않는다. (단, 영벡터 ( \langle 0, 0 \rangle )로의 평행이동은 항등변환이며 모든 점이 고정된다.)
좌표평면에서의 평행이동
직교좌표계에서 평행이동은 매우 직관적으로 표현된다.
예시
점 ( A(2, 3) )를 벡터 ( \langle 4, -1 \rangle )만큼 평행이동하면, 새로운 점 ( A' )의 좌표는 다음과 같다:
[ A' = (2 + 4, 3 + (-1)) = (6, 2) ]
도형 전체를 평행이동할 때는 모든 꼭짓점을 동일한 벡터로 이동시킨다. 예를 들어, 삼각형 ABC의 각 꼭짓점 ( A(1,1), B(3,1), C(2,4) )를 ( \langle -2, 3 \rangle )만큼 이동하면:
- ( A'(-1, 4) )
- ( B'(1, 4) )
- ( C'(0, 7) )
이렇게 얻어진 삼각형 ( A'B'C' )는 원래 삼각형과 합동이며, 방향과 크기가 동일하다.
벡터를 이용한 표현
평행이동은 벡터 연산을 통해 일반화할 수 있다. n차원 공간에서 벡터 ( \vec{v} \in \mathbb{R}^n )에 대한 평행이동 ( T_{\vec{v}} )는 다음과 같이 정의된다:
[ T_{\vec{v}}: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}^n, \quad T_{\vec{v}}(\vec{p}) = \vec{p} + \vec{v} ]
이 변환은 선형변환은 아니지만, 아핀 변환(affine transformation)의 한 형태이다. 선형변환은 원점을 고정해야 하지만, 평행이동은 원점을 이동시킬 수 있기 때문에 선형성이 없다.
평행이동의 합성
두 번의 평행이동을 연속해서 수행할 수 있으며, 그 결과는 또 다른 평행이동이 된다. 즉, 벡터 ( \vec{v}_1 )과 ( \vec{v}_2 )에 대한 평행이동을 차례로 적용하면, 전체 효과는 ( \vec{v}_1 + \vec{v}_2 )에 대한 평행이동과 같다.
[ T_{\vec{v}2} \circ T{\vec{v}1} = T{\vec{v}_1 + \vec{v}_2} ]
이 성질은 평행이동이 아벨 군(가환군)을 이룬다는 것을 의미하며, 이는 기하학적 변환의 대칭성 연구에서 중요하게 다뤄진다.
응용 분야
1. 컴퓨터 그래픽스
3D 모델링 및 게임 엔진에서 객체를 이동시키는 기본 연산으로 평행이동이 사용된다. 예를 들어, 캐릭터를 x축 방향으로 5단위 이동시키는 것은 평행이동 벡터 ( \langle 5, 0, 0 \rangle )를 적용하는 것이다.
2. 물리학
물체의 운동을 설명할 때, 위치 벡터의 시간에 따른 변화는 평행이동으로 해석될 수 있다. 특히 등속 직선 운동은 일정한 벡터에 의한 연속적인 평행이동으로 모델링된다.
3. 패턴과 대칭
타일링(tiling)이나 반복 패턴(예: 벽지 무늬)은 평행이동 대칭성을 가진다. 즉, 특정 벡터만큼 이동해도 전체 패턴이 동일하게 보인다. 이러한 대칭은 결정학(crystallography)에서 중요한 개념이다.
관련 개념
- 회전(Rotation): 중심점을 기준으로 도형을 일정 각도만큼 돌리는 변환.
- 대칭이동(Reflection): 직선 또는 평면을 기준으로 도형을 뒤집는 변환.
- 합동 변환(Isometry): 길이와 각도를 보존하는 모든 기하 변환 (평행이동, 회전, 대칭이동 포함).
이들 변환과 함께 평행이동은 유클리드 기하학의 기본 변환 그룹을 구성한다.
참고 자료 및 관련 문서
참고 문헌
- Coxeter, H. S. M. (1969). Introduction to Geometry. Wiley.
- Armstrong, M. A. (1988). Groups and Symmetry. Springer.
- Stewart, I. (2001). Taming the Infinite: The Story of Mathematics. Quercus.
평행이동은 기하학의 기초 개념이지만, 그 응용 범위는 매우 광범위하다. 단순한 위치 이동처럼 보이지만, 수학적 엄밀성과 다양한 실생활 적용을 통해 그 중요성이 입증된다.
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