종이에 원을 하나 그리고 피자 조각처럼 8조각, 16조각, 32조각으로 잘게 썰어 보세요. 조각들을 위아래로 엇갈리게 지그재그로 끼워 맞추어 봅니다.
조각을 더 잘게 나눌수록 울퉁불퉁했던 둥근 가장자리가 점점 반듯한 직선으로 펴지며 완벽한 직사각형으로 변합니다. 곡선으로 둘러싸인 넓이가 어떻게 이라는 깔끔한 직사각형 공식이 될까요?

기원전 3세기 시라쿠사의 아르키메데스가 『원의 측정』이라는 짧은 글에서 이것을 증명했습니다. 세 명제뿐인 작은 글인데, 첫 명제가 바로 「원의 넓이는 반지름과 원둘레를 두 변으로 하는 직각삼각형의 넓이와 같다」입니다.
그런데 그는 원주율을 「구하지」 않았습니다. 가둔 것입니다. 원 안팎에 96각형을 그려 넣고 그 둘레를 손으로 계산해, 원주율이 3+10/71보다 크고 3+1/7보다 작다고 못 박았습니다. 정확한 값을 말하지 않고 도망갈 자리를 없앤 것입니다.
부채꼴을 끼워 맞춘 직사각형이 왜 답을 주는지 보십시오. 가로는 원둘레의 절반입니다. 조각을 위아래로 반씩 나눠 썼기 때문입니다. 원둘레가 2πr이니 절반은 πr입니다.
세로는 반지름 r입니다. 부채꼴의 높이가 곧 반지름이기 때문입니다. 그래서 넓이는 πr × r, 곧 πr²이 됩니다.
「잘게 잘라 다시 붙인다」는 적분의 첫 그림입니다. 원을 부채꼴로 잘라 붙이면 직사각형이 됩니다.
이 방법으로 지금 곡면의 넓이, 유체가 흐르는 양, 전기장의 세기를 잽니다.
원을 잘라 지그재그로 붙여 본다
동그란 색종이를 반으로 접고 또 접어 16조각 부채꼴로 오려 봅니다. 이 조각들을 톱니바퀴처럼 서로 엇갈리게 나란히 붙여 놓아 보세요.
조각의 개수가 많아질수록 윗면과 아랫면은 평평해지고 옆면은 수직으로 서서 가로세로가 반듯한 직사각형 모양에 가까워지는 것을 눈으로 직접 볼 수 있습니다.
조각이 많을수록 직사각형에 가까워진다
엇갈려 붙인 직사각형의 세로 길이는 부채꼴의 반지름인 과 같습니다. 직사각형의 가로 길이는 원 둘레의 절반인 입니다.
직사각형의 넓이는 가로 곱하기 세로이므로 이 됩니다. 굽은 원의 둘레를 잘게 쪼개어 직선으로 바꾸는 이 기발한 발상으로 복잡한 곡면의 넓이를 초등 직사각형 공식 하나로 깔끔하게 계산해 낼 수 있습니다.
극한으로 넓이 끌어내기
이것은 고대 아르키메데스의 실진법(Method of Exhaustion)이자 현대 정적분의 극한 개념입니다. 원을 개의 부채꼴로 나누어 합친 도형의 넓이 은 일 때 직사각형의 넓이로 수렴합니다.
동심원 모양의 얇은 띠(둘레 , 두께 )를 안쪽부터 바깥쪽까지 펼쳐 쌓으면 밑변이 이고 높이가 인 직각삼각형이 되며, 적분식 으로도 완벽히 증명됩니다.
적분의 씨앗
원을 잘게 썰어 직사각형으로 환원하는 직관은 측도론(Measure Theory)과 리만 적분(Riemann Integration)의 씨앗입니다.
이 극한의 나눔은 3차원 구의 부피 와 겉넓이 의 미분 관계()로 자연스럽게 확장됩니다. 현대 컴퓨터 그래픽의 곡면 테셀레이션(Tessellation)과 수치 적분 시뮬레이션의 근본 철학이 바로 여기에 있습니다.
원의 분할과 넓이. 반지름이 인 원을 중심각이 같은 개의 부채꼴로 잘라 지그재그로 이어 붙여 직사각형에 가까운 도형을 만든다.
(1) 이어 붙인 도형의 윗변과 아랫변의 길이의 합은 원래 원의 어떤 길이와 같은가?
(2) 이 한없이 커질 때 만들어지는 직사각형의 가로와 세로 길이를 과 로 나타내시오.
(3) 둘레의 길이가 인 원의 넓이를 구하시오.
(3) 둘레 에서 이므로 넓이는 입니다.
(1) 원의 둘레 와 같습니다.
부채꼴의 호가 번갈아 위와 아래로 가므로, 위와 아래를 합치면 원래 둘레가 고스란히 남습니다.
(2) 가로 · 세로 입니다.
둘레의 절반이 윗변이 되고, 부채꼴의 반지름이 그대로 세로가 됩니다.
그래서 넓이는 — 우리가 외우는 그 공식이 여기서 나옵니다.
(3) 이므로
입니다.
부채꼴을 더 잘게 자를수록 삐뚤빼뚤한 윗변이 곧게 펴집니다. 무한히 자르면 진짜 직사각형이 됩니다. 1,700 년 전 중국의 유휘가 이미 이 그림을 그렸습니다.
여기 「풀어 보기」는 기본 한 벌입니다. 더 풀어 보고 싶으면 행복수학의 그 단원으로 건너가세요.
「잘게 잘라 다른 모양으로 바꾸기」가 곧 적분입니다.
원을 무수히 많은 부채꼴로 잘게 쪼개어 직사각형의 넓이 로 환원시키는 극한의 사고는, 얇은 단면을 쌓아 기울어진 탑의 부피를 계산했던 제23장 과 똑같은 적분의 씨앗입니다.
기원전 3세기 아르키메데스의 저서 『원의 측정』(Measurement of a Circle) 및 3세기 중국 삼국시대 위나라의 수학자 유휘(劉徽)가 『구장산술』 주석에서 전개한 할원술(割圓術)에서 왔습니다.