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기하학에서, 사각형(四角形, 영어: quadrilateral)은 평면 위 4개의 선분으로 둘러싸인 도형이다. 이 선분들을 사각형의 변이라고 하고, 두 선분의 공통 끝점을 사각형의 꼭짓점이라고 한다. 사각형은 다각형에서 변과 꼭짓점이 각각 4개인 경우이며, 다른 다각형과 같이, 네 선분으로 구성된 닫힌 꺾은선으로 정의되거나, 이들을 경계로 하는 닫힌 영역으로 정의된다. (여기서 닫힌 꺾은선은 꺾은선의 양 끝점을 이어 끝점의 구분이 없어졌다는 뜻이며, 닫힌 영역은 이 집합이 경계를 포함한다는 뜻이다.) 꼭짓점이 아닌 교점을 갖는 두 변이 존재하지 않는 사각형을 단순 사각형이라고 부른다. 단순 사각형은 모든 내각이 180도보다 작은 경우와 180도보다 큰 내각을 갖는 경우로 분류된다. 전자를 볼록 사각형이라고 하고, 후자를 오목 사각형이라고 한다. 볼록 사각형의 경계 위 두 점 사이의 선분은 항상 사각형 내부에 포함되며, 오목 사각형은 이러한 성질을 만족시키지 않는다. 사각형이라는 용어는 흔히 볼록 사각형만을 가리킨다. 사각형의 네 꼭짓점이 한 평면 위의 점이 아닐 수 있도록 허용하면 꼬인 사각형의 개념을 얻는다. 꼬인 사각형은 일반적으로 사각형에 포함시키지 않는다.

사각형
Six Quadrilaterals.svg
일부 사각형의 종류
모서리들과 꼭짓점 4

단순 사각형의 4개의 내각의 합은 항상 360도이다. 이는 단순 각형의 내각의 합이 항상 도라는 사실의 특수한 경우이다. 사다리꼴평행 사변형, 직사각형, 마름모, 정사각형은 볼록 사각형의 일부 기초적인 종류이다. 예를 들어, 평행 사변형은 마주보는 두 쌍의 변이 각각 평행하는 사각형이며, 직사각형은 모든 내각이 직각인 사각형이다. 앞에 나온 종류는 뒤에 나온 종류에 포함된다. 예를 들어, 모든 직사각형은 평행 사변형이다. 이는 모든 내각이 직각인 사각형의 각 쌍의 대변은 평행한다는 말과 같다. 단순 사각형의 넓이는 일상적인 의미와 일치한다. 예를 들어, 직사각형의 넓이는 가로변과 세로변의 길이의 곱이며, 보다 일반적으로 평행 사변형의 넓이는 밑변의 길이와 높이의 길이의 곱이다. 그 밖에도 사각형의 많은 성질들이 발견되었다. 바리뇽 정리에 따르면, 사각형의 네 변의 중점을 연결하면 평행 사변형을 얻는다. 이는 삼각형에 대한 중점 연결 정리를 통해 증명할 수 있으며, 볼록 사각형이나 단순 사각형에 국한되지 않고 심지어 꼬인 사각형에서도 성립한다.

사변형(四邊形)이라는 용어는 사각형을 대신할 수 있으나, 사영 기하학에서는 사각형과 관련된 다른 의미로 쓰인다.

목차

정의편집

사각형은 변이 4개인 (따라서 꼭짓점도 4개인) 다각형으로 정의된다. 구체적으로, 평면 위 네 점  ,  ,  ,  공선점인 세 점을 포함하지 않는다고 하자. 그렇다면 사각형  는 선분  ,  ,  ,  으로 둘러싸인 도형으로 정의된다. 이 네 점  ,  ,  ,  를 사각형  꼭짓점이라고 하고, 이 네 선분  ,  ,  ,  를 사각형  이라고 한다. 사각형의 두 변이 같은 꼭짓점을 끝점으로 한다면 이웃변이라고 하고, 반대로 공통 꼭짓점을 갖지 않을 경우 대변이라고 한다. 즉, 사각형  의 네 쌍의 이웃변은   ,   ,   ,   이고, 두 쌍의 대변은   ,   이다. 사각형의 두 꼭짓점을 잇는 선분 가운데 변이 아닌 것들을 사각형의 대각선이라고 한다. 즉, 사각형  의 두 대각선은 선분   이다.

분류편집

사각형은 다음과 같이 분류된다.

즉, 임의의 사각형은 볼록 사각형과 오목 사각형, 교차 사각형 가운데 정확히 하나에 속한다.

사각형의 종류

단순 사각형의 일부 종류는 다음과 같다.

  • 사다리꼴: 한 쌍의 대변이 평행한 단순 사각형
  • 연꼴: 두 쌍의 이웃변의 길이가 같은 단순 사각형
  • 평행 사변형: 두 쌍의 대변이 평행한 단순 사각형
  • 등변 사다리꼴: 밑각의 크기가 같은 사다리꼴
  • 직사각형: 모든 내각이 직각인 단순 사각형
  • 마름모: 모든 변의 길이가 같은 단순 사각형
  • 정사각형: 모든 변의 길이가 같고 모든 내각이 직각인 단순 사각형

이들은 연꼴이 오목 사각형일 수 있는 점을 제외하면 모두 볼록 사각형이다. 이들 종류 사이의 함의 관계는 다음과 같다.  

성질편집

대각선편집

볼록 사각형의 두 대각선은 사각형 내부에 포함된다.[1]:52, §3.1 오목 사각형의 두 대각선 가운데 하나는 사각형 내부에 포함되고 하나는 사각형 외부에 포함된다.[1]:52, §3.1 교차 사각형의 두 대각선은 사각형 외부에 포함된다.[1]:52, §3.1

넓이편집

사각형의 두 대각선의 길이를  ,  라고 하고 두 대각선 사이의 각의 크기를  라고 할 경우, 넓이는

 

이다.

사각형의 두 대각선의 중점과 한 쌍의 대변의 교점을 꼭짓점으로 하는 삼각형을 생각하자. 이 삼각형의 넓이는 원래 사각형이 단순 사각형일 경우 원래 사각형의 넓이의 1/4이고, 교차 사각형일 경우 나비 모양을 이루는 두 삼각형의 넓이의 차의 절댓값의 1/4이다.[1]:55, §3.1, Theorem 3.14

사각형  의 네 변  ,  ,  ,  중점을 각각  ,  ,  ,  라고 하자. 바리뇽 정리에 따르면, 사각형  평행 사변형이다. 또한, 이 평행 사변형의 넓이는 원래 사각형이 단순 사각형일 경우 원래 사각형의 넓이의 1/2이고, 교차 사각형일 경우 나비 모양을 이루는 두 삼각형의 넓이의 차의 절댓값의 1/2이다.[1]:53, §3.1, Theorem 3.11

무게 중심편집

사각형의 각 쌍의 대변의 중점을 잇는 직선과 두 대각선의 중점을 잇는 직선은 공점선이며, 서로가 서로를 이등분한다.[1]:54, §3.1, Theorem 3.12 이들의 교점은 사각형의 네 꼭짓점의 무게 중심이다. 볼록 사각형일 경우 이 점을 이 사각형의 무게 중심으로 정의하나, 이는 일반적으로 사각형의 내부의 무게 중심과 일치하지 않는다.

각주편집

  1. Coxeter, H. S. M.; Greitzer, S. L. (1967). 《Geometry Revisited》 (영어). Buehler, George H. 삽화. Washington, D.C.: Mathematical Association of America. ISBN 0-88385-619-0. 

외부 링크편집