타원체의 세 방향의 반축 \(a\), \(b\), \(c\)(중심에서 겉면까지의 길이)를 입력하세요. 겉넓이 \(S\)(톰센의 근사식)와 cm로 입력했을 때의 m² 환산도 보여 줍니다.
이 페이지에서 할 수 있는 것
- 세 방향의 반축 \(a\), \(b\), \(c\)(중심에서 겉면까지의 길이)만 넣으면 타원체의 겉넓이를 바로 알 수 있습니다(세계적으로 쓰이는 톰센의 근사식으로 계산)
- 계산 결과는 마우스로 돌려 볼 수 있는 3D 그림으로도 표시되어, 어느 길이가 어느 방향인지 한눈에 확인할 수 있습니다
- 세 칸에 같은 길이를 넣으면 구의 겉넓이(\(S = 4\pi r^2\)) 계산에도 그대로 쓸 수 있습니다(이때는 어림값이 아니라 정확한 값과 일치합니다)
- cm로 입력했을 때 제곱미터(m²)로 바꾼 값도 함께 보여 줍니다
- 공식의 쉬운 해설과 Excel·Google 스프레드시트·Python용 복사해서 쓰는 수식도 이 페이지에 정리되어 있습니다
이 계산은 어디에 쓰일까요?
지구는 자전의 원심력 때문에 아주 조금 납작해진 회전타원체입니다. 적도 반지름 약 6378 km, 극 반지름 약 6357 km를 이 공식에 넣으면 겉넓이는 약 \(5.10 \times 10^8\,\mathrm{km^2}\)(약 5.1억 km²)로 구해지며, 과학 자료에 실려 있는 지구의 겉넓이와 잘 일치합니다.
‘지구 겉면의 약 70%가 바다’라는 이야기나 대기·바다의 양을 어림하는 것은 이 겉넓이가 출발점입니다. 완전한 구가 아닌 천체의 겉넓이 계산에 실제로 쓰이는 공식입니다.
달걀은 타원체에 가까운 모양입니다. 길이 약 6 cm, 굵기 약 4.5 cm인 달걀이라면 반축은 \(3 \times 2.25 \times 2.25\,\mathrm{cm}\)이고, 겉넓이는 약 \(78\,\mathrm{cm^2}\)로 어림할 수 있습니다.
달걀 모양 과자를 초콜릿으로 코팅하는 양, 껍데기에 칠하거나 인쇄하는 넓이, 수축 포장 필름의 크기 등 ‘겉면을 덮는 재료’의 양은 겉넓이로 어림할 수 있습니다(실물은 완전한 타원체가 아니므로 어디까지나 기준입니다).
비행선의 선체는 길쭉한 회전타원체에 가까운 모양으로 설계됩니다. 예를 들어 전체 길이 75 m, 최대 지름 14 m인 비행선을 반축 \(37.5 \times 7 \times 7\,\mathrm{m}\)의 타원체로 보면 겉넓이는 약 \(2610\,\mathrm{m^2}\)입니다. 외피 원단이나 도료가 얼마나 필요한지 처음 어림할 때 쓸 수 있습니다.
겉넓이는 공기 저항(마찰 저항)이나 열의 출입과도 바로 이어지므로, 탈것이나 건물의 돔을 설계할 때 가장 먼저 짚는 양 가운데 하나입니다(자세한 설계에서는 실제 모양으로 계산합니다).
수박이나 멜론은 타원체에 가까운 모양이므로, 열매의 크기로 겉넓이를 어림할 때 이 공식을 쓸 수 있습니다. 반축이 \(12 \times 10 \times 10\,\mathrm{cm}\)인 수박이라면 겉넓이는 약 \(1430\,\mathrm{cm^2}\)(약 0.14 m²)입니다.
과일 봉지의 크기 고르기, 식용 왁스나 코팅제의 사용량, 포장 자재의 주문량 등 ‘열매 겉면을 덮는 작업’의 기준을 잡는 데 도움이 됩니다.
럭비공은 길쭉한 회전타원체에 가까운 모양입니다. 길이 약 30 cm, 폭 약 19 cm인 공이라면 반축은 \(15 \times 9.5 \times 9.5\,\mathrm{cm}\)이고, 겉넓이는 약 \(1590\,\mathrm{cm^2}\)입니다.
공은 겉가죽 패널 4장을 꿰매어 만들므로 한 장에 약 400 cm²의 재료가 필요하다는 어림이 섭니다(시접이나 부푼 만큼은 따로 잡습니다). 곡면 제품의 재료를 잡는 첫걸음이 되는 계산입니다.
공식과 그림
용어·기호 해설
기호
| \(S\) | 에스 | 넓이·겉넓이를 나타낼 때 자주 쓰는 기호입니다. 영어 surface(겉면)나 square(사각형·제곱)에서 왔으며, 이 페이지에서는 타원체의 겉넓이를 나타냅니다. |
| \(a,\ b,\ c\) | 에이·비·시 | 타원체의 세 방향의 반축의 길이입니다. 모두 ‘중심에서 겉면까지의 길이’로, 구의 반지름에 해당하며 끝에서 끝까지의 길이(축)의 절반입니다. |
| \(\pi\) | 파이 | 원주율입니다. 원주가 지름의 몇 배인지를 나타내는 수로, \(3.14159265\ldots\)처럼 끝없이 이어지며 되풀이되지 않는 소수(무리수)입니다. 초등학교 수학에서 쓰는 ‘3.14’는 그 어림값입니다. |
| \(\approx\) | 거의 같다 | 양쪽 값이 ‘거의 같다’는 것을 나타내는 기호입니다. 한국 교과서에서는 ≒로 쓰는 경우가 많고, 세계적으로는 \(\approx\)를 씁니다. 톰센의 공식은 근사식이므로 등호(=) 대신 이 기호로 잇습니다. |
| \(x^{1.6}\) | 엑스의 1.6제곱 | 지수(오른쪽 위의 작은 수)가 소수인 거듭제곱입니다. \(x^{1.6} = x^{\frac{8}{5}}\)로, ‘\(x\)를 8번 곱한 것의 다섯제곱근’이라는 뜻입니다(고등학교에서 배우는 ‘지수의 확장’). 손으로 계산하기는 어렵지만 공학용 계산기·Excel·Python이라면 쉽게 계산할 수 있습니다. |
| \(r\) | 알 | 구의 반지름입니다. 영어 radius(반지름)의 첫 글자입니다. 구는 세 반축이 모두 \(r\)인 타원체입니다. |
| \(\mathrm{cm^2}\) | 제곱센티미터 | 넓이의 단위입니다. 한 변이 1 cm인 정사각형의 넓이가 1 cm²입니다. 부피의 단위 cm³(세제곱센티미터)와 구별하세요. |
| \(\mathrm{m^2}\) | 제곱미터 | 넓이의 단위입니다. 한 변이 1 m(= 100 cm)인 정사각형의 넓이가 1 m²이며, \(1\,\mathrm{m^2} = 10000\,\mathrm{cm^2}\)입니다. |
용어
| 타원체 | 타원을 3차원으로 만든 매끄러운 달걀 모양의 입체도형입니다. 어디를 잘라도 단면이 타원(또는 원)이 됩니다. 럭비공이나 수박에 가까운 모양입니다. |
| 반축 | 타원체의 중심에서 겉면까지의 길이 가운데 세 대칭 방향(서로 직각인 방향)으로 잰 것입니다. 타원체의 크기와 모양은 이 세 길이로 정해지며, 끝에서 끝까지의 길이(축)의 절반입니다. |
| 겉넓이 | 입체도형의 겉면 전체의 넓이입니다. ‘표면적’이라고도 합니다. 입체도형을 감싸는 ‘껍질’을 잘라 평평하게 펼쳤을 때의 넓이에 해당하며, cm²나 m² 같은 넓이의 단위로 나타냅니다. |
| 근사식 | 정확한 값 대신 그것에 충분히 가까운 값을 간단한 계산으로 구하기 위한 식입니다. 타원체의 겉넓이처럼 정확한 계산이 어려운 양에 대해서는 실제로 근사식이 널리 쓰입니다. |
| 톰센의 근사식 | 2004년에 덴마크의 크누드 톰센(Knud Thomsen)이 제안한 타원체의 겉넓이의 근사식입니다. 지수 1.6을 쓰면 어떤 모양이든 오차가 약 ±1.06% 이내로 들어온다고 알려져 있어, 세계의 계산 사이트나 실무에서 표준적으로 쓰입니다. |
| 타원 적분 | 타원체의 겉넓이나 타원의 둘레의 길이를 정확히 구할 때 나타나는 대학 수준의 적분입니다. 답을 보통의 식(사칙연산과 거듭제곱·근호)으로는 나타낼 수 없기 때문에, 실제로는 근사식이나 수치 계산을 씁니다. |
| 구 | 세 반축이 모두 같은 특별한 타원체입니다. 어느 방향에서 보아도 같은 크기의 원으로 보이는 입체도형이며, 겉넓이는 \(S = 4\pi r^2\)입니다. |
| 회전타원체 | 타원을 그 축을 중심으로 한 바퀴 돌려 만든 입체도형으로, 세 반축 가운데 두 개가 같은 타원체입니다. 럭비공(길쭉한 모양)이나 귤(납작한 모양)이 이 종류이며, 지구도 아주 조금 납작한 회전타원체입니다. |
먼저 알아 두면 좋은 내용
이 페이지의 계산을 ‘뜻을 알고’ 쓸 수 있도록, 먼저 알아 두면 좋은 내용을 정리했습니다.
| 곱셈과 거듭제곱(제곱)(초등학교 2학년~중학교 1학년, 7~13세) |
|
| 넓이의 뜻과 단위(초등학교 5학년, 10~11세) |
|
| 원주율(초등학교 6학년~중학교 1학년, 11~13세) |
|
| 구의 겉넓이(중학교 1학년, 12~13세) |
|
| 지수의 확장(고등학교 ‘대수’, 16~17세) |
|
Excel로 계산하는 방법
| 반축 a의 길이 | 10 |
| 반축 b의 길이 | 5 |
| 반축 c의 길이 | 8 |
| 타원체의 겉넓이 | =4*PI()*(((B1*B2)^1.6+(B1*B3)^1.6+(B2*B3)^1.6)/3)^(1/1.6) |
| 반지름 | 3 |
| 구의 겉넓이 | =4*PI()*B1^2 |
| cm²로 나타낸 겉넓이 | 25000 |
| m²로 나타낸 겉넓이 | =B1/10000 |
수식 안의 ‘B1’, ‘B2’는 ‘그 셀에 들어 있는 수를 쓴다’는 뜻이며, ‘*’는 곱셈, ‘/’는 나눗셈, ‘^’는 거듭제곱(몇 번 곱하는지. 1.6 같은 소수도 쓸 수 있습니다), ‘PI()’는 원주율 π를 돌려주는 함수입니다.
예를 들어 첫 번째 표라면 B4에 약 730.87이 표시됩니다(cm로 입력했으므로 cm²). 두 번째 표는 B2에 약 113.10, 세 번째 표는 B2에 2.5가 나옵니다. 입력 칸의 수를 자신의 길이로 바꾸기만 하면 됩니다.
Google 스프레드시트로 계산하는 방법
| 반축 a의 길이 | 10 |
| 반축 b의 길이 | 5 |
| 반축 c의 길이 | 8 |
| 타원체의 겉넓이 | =4*PI()*(((B1*B2)^1.6+(B1*B3)^1.6+(B2*B3)^1.6)/3)^(1/1.6) |
| 반지름 | 3 |
| 구의 겉넓이 | =4*PI()*B1^2 |
| cm²로 나타낸 겉넓이 | 25000 |
| m²로 나타낸 겉넓이 | =B1/10000 |
Python으로 계산하는 방법
import math
a = 10 # 반축 a의 길이(이 예에서는 cm. 중심에서 겉면까지의 길이)
b = 5 # 반축 b의 길이(a와 같은 단위로)
c = 8 # 반축 c의 길이(a·b와 같은 단위로)
# 톰센의 근사식(지수 p = 1.6). ‘**’가 거듭제곱 기호
p = 1.6
mean = ((a * b) ** p + (a * c) ** p + (b * c) ** p) / 3
surface_area = 4 * math.pi * mean ** (1 / p) # 타원체의 겉넓이(입력 단위의 제곱. 이 예에서는 cm2)
surface_area_m2 = surface_area / 10000 # cm로 입력한 경우 m2로 바꾼 겉넓이
print(f"타원체의 겉넓이: {surface_area} cm2")
print(f"m2로 바꾸면: {surface_area_m2} m2")
LaTeX 등 수식 언어로 쓰는 법(복사 가능)
S \approx 4\pi \left( \dfrac{(ab)^{1.6} + (ac)^{1.6} + (bc)^{1.6}}{3} \right)^{\frac{1}{1.6}}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>S</mi>
<mo>≈</mo>
<mn>4</mn>
<mi>π</mi>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msup><mrow><mo>(</mo><mi>a</mi><mi>b</mi><mo>)</mo></mrow><mn>1.6</mn></msup>
<mo>+</mo>
<msup><mrow><mo>(</mo><mi>a</mi><mi>c</mi><mo>)</mo></mrow><mn>1.6</mn></msup>
<mo>+</mo>
<msup><mrow><mo>(</mo><mi>b</mi><mi>c</mi><mo>)</mo></mrow><mn>1.6</mn></msup>
</mrow>
<mn>3</mn>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>1.6</mn></mrow>
</msup>
</mrow>
</math>
S ~~ 4 pi (((a b)^1.6 + (a c)^1.6 + (b c)^1.6)/3)^(1/1.6)
4 Pi (((a b)^1.6 + (a c)^1.6 + (b c)^1.6)/3)^(1/1.6)
S := 4*Pi*(((a*b)^1.6 + (a*c)^1.6 + (b*c)^1.6)/3)^(1/1.6);
S = 4*pi*(((a*b)^1.6 + (a*c)^1.6 + (b*c)^1.6)/3)^(1/1.6);
S ≈ 4π(((ab)^1.6 + (ac)^1.6 + (bc)^1.6)/3)^(1/1.6)
S = 4πr²
S = 4\pi r^{2}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>S</mi>
<mo>=</mo>
<mn>4</mn>
<mi>π</mi>
<msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup>
</mrow>
</math>
S = 4 pi r^2
4 Pi r^2
S := 4*Pi*r^2;
S = 4*pi*r^2;
S = 4πr^2
S[m²] = S[cm²] ÷ 10000
S_{\mathrm{m^2}} = S_{\mathrm{cm^2}} \div 10000
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msub><mi>S</mi><mrow><msup><mi mathvariant="normal">m</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msub>
<mo>=</mo>
<msub><mi>S</mi><mrow><msup><mi mathvariant="normal">cm</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msub>
<mo>÷</mo>
<mn>10000</mn>
</mrow>
</math>
S_(m^2) = S_(cm^2) -: 10000
sCm2/10000
sM2 := sCm2/10000;
s_m2 = s_cm2/10000;
S(m²) = S(cm²)/10000
ChatGPT 에게 물어서 계산하는 방법
당신은 산수·수학 계산 도우미입니다. 다음 계산을 반드시 Python 코드를 실제로 실행해서 하고, 실행 결과의 수치만을 근거로 답하세요(암산이나 추측으로 답하지 마세요). 반축의 길이가 a = 10 cm, b = 5 cm, c = 8 cm인 타원체가 있습니다(반축은 중심에서 겉면까지의 길이입니다). 다음 값을 각각 구하세요. 1. 이 타원체의 겉넓이는 몇 cm²인가. 톰센의 근사식 S = 4 × π × (((a×b)^1.6 + (a×c)^1.6 + (b×c)^1.6) / 3)^(1/1.6)을 쓸 것 2. 그 겉넓이를 제곱미터(m²)로 바꾸면 얼마인가 계산에 사용한 식과 실행 결과의 수치를 보여 주세요.
사용법
-
1숫자 입력계산하고 싶은 숫자를 입력란에 입력합니다
-
2계산‘계산’ 버튼을 누릅니다
-
3결과 확인계산 결과가 바로 표시됩니다. 계산의 원리와 공식 해설도 같은 페이지에서 확인할 수 있습니다
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