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수학이야기94

바이오리듬과 사인(sine)곡선 우리 몸의 상태가 좋아졌다 나빠졌다 하면서 주기적으로 변화하는 이유는 인체 내부의 어떤 생화학적 작용 때문이라고 하는데, 이와 같은 인체 내의 생화학적 변화 리듬을 '바이오리듬(biorhythm)'이라고 한다. 20세기 초 독일의 의사인 플리스(Fliess, W.)는 환자의 상태가 주기적으로 변하는 것을 관찰하다가 신체 리듬을 위주로 하는 남성 인자는 23일을 주기로 하고, 감성 리듬이 지배하는 여성 인자는 28일을 주기로 한다는 것을 알아냈다. 초기에는 남녀가 각기 다른 주기를 갖는 것으로 구분했지만, 후에 남녀 모두 23일의 '신체 주기(physical cycle)'와 28일의 '감성 주기(emotional cycle)'를 갖는 것으로 정했다. 여기에 오스트리아의 인스브룩 대학 공학 교수인 텔처(Te.. 2014. 12. 18.
이차방정식의 역사 옛날 사람들이 이차방정식을 언제부터 알고 있었으며 어떻게 풀었는지에 대한 정확한 기록은 남아있지 않지만, 기원전 1800년을 전후해서 이미 간단한 이차방정식을 풀 수 있었던 것으로 짐작된다. 이 무렵 육십진법을 썼던 고대 바빌로니아 사람들은 이미 와 같은 이차방정식을 풀어서 과 같이 계산하였으며, 인 경우에 의 근을 와 같이 구했다고 한다. 지금과 같이 완전히 일반적인 경우는 아니지만 이차방정식의 근의 공식을 처음으로 찾은 사람은 인도의 수학자인 브라마굽타(Brahmagupta ; 598~670)인데, 628년에 그가 쓴 이라는 책에서 의 근을 와 같이 나타내었다. 지금과 같은 완전한 근의 공식은 12세기 인도 최고의 수학자였던 바스카라(Bhaskara ; 1114~1185)에 의하여 완성되었다. 이차방.. 2014. 12. 18.
흐림 집합 이론(Fuzzy set theory) 집합이란 그 소속이 분명한 원소들의 모임이다. 그런데 분명히 집합이지만 그 원소를 구별하기가 애매한 경우가 종종 있다. 다음과 같은 예를 생각해 보자. 노란색 색종이의 집합을 A라고 할 때, 다음 중에서 집합 A의 원소는 어느 것인가? 이 경우에 집합 A의 원소가 ②뿐이라는 사람도 있겠지만, ②와 ⑤라고 생각하는 사람도 있을 수 있다. 물론, 다른 선택 역시 가능하다. 아래 그림 중에서 물이 들어 있는 컵은 어느 것인가? 이 경우에 답은 당연히 ①을 제외한 나머지 컵들이다. 그런데 ②의 경우에 우리는 '물이 아주 조금 있다' 또는 '물이 거의 없다'라고 표현할 수 있다. 즉 물이 없는 쪽에 훨씬 더 가깝다는 뜻이다. 이와 같이 어떤 대상이 한 집합의 원소인지 아닌지 애매한 상황을 수학적으로 구별하는 방법.. 2014. 12. 15.
사차원 정육면체(hypercube) 누구나 한 번쯤 사차원 세계에 대하여 상상해 본 경험이 있을 것이다. 물리학자들은 물론이고 수학자들도 당연히 사차원 공간에 대하여 궁금해 하였다. 그러나 불행하게도 우리는 사차원 세계를 직접 경험할 수 없다. 그렇다면 간접적으로 경험할 수 있는 방법은 없을까? 수학자들은 다음과 같은 아이디어를 생각해내었다. 정육면체(cube)에 빛을 비추어 평면에 사영(射影)을 시키면 아래의 오른쪽 그림과 같은 모양으로 나타난다. 즉, 삼차원 공간의 정육면체가 이차원 평면의 정사각형으로 나타내어지는 것이다. 이것을 다음과 같이 생각할 수 있다. 작은 정사각형의 네 변에 정사각형을 변형시킨 사다리꼴을 각각 붙여서 큰 정사각형을 만든다. 여기에서 정사각형을 정육면체로, 변을 면으로, 사다리꼴을 사각뿔대로 바꾸면 다음과 같은.. 2014. 12. 15.
피보나치수열과 황금비 수학의 역사에서 가장 흥미로운 수열 중 하나는 피보나치수열이다. 피보나치수열이라는 이름은 인도-아라비아 숫자를 유럽에 전파하는 데 큰 공헌을 했던 12세기 이탈리아의 수학자 레오나르도 피보나치(Fibonacci. L. ; 1170~1250?)가 그의 저서 에 다음과 같은 내용을 수록하면서 붙여졌다. 한 농장에서 갓 태어난 토끼 암수 한 쌍이 있다. 한 쌍의 토끼는 생후 1개월 뒤에 다 자라고, 다 자라면 한 달마다 다시 암수 한 쌍을 낳는다. 어떤 토끼도 죽지 않는다고 가정할 때, 1년이 지난 후에 토끼는 모두 몇 쌍이 될까? 위의 규칙성을 그림으로 나타내면 아래와 같다. 이때, n개월 뒤에 토끼가 쌍이 된다고 하면,과 같이 연속한 항의 합이 그 다음 항이 되는 피보나치수열 을 얻는다. 단순한 흥밋거리에.. 2014. 12. 15.
행렬을 이용한 암호화와 해독 암호는 주로 군사적인 목적으로 이용되어 왔으나, 인터넷과 정보 기술이 고도로 발달한 현대사회에서는 정보 보호의 중요한 수단이 되고 있다. 그러나 아무리 보안을 철저히 한다해도 암호를 푸는 기술 역시 함께 발전하여 왔으므로, 해독이 어려운 암호의 개발이 매우 중요한 과제가 되었다. 이때 이용되는 수학적 방법 중의 하나가 행렬이다. 암호화된 평문(平文, 일반 문장)의 뜻을 파악하려면 해독하는 작업이 필요한데, 그 방법의 하나로 행렬을 이용하는 것이다. 가령 행렬 를 이용하여 평문 MATH를 암호화하여 보자. 우선 다음과 같이 알파벳 A, B, C, …, Z에 각각 숫자 0, 1, 2, 3, …, 25를 대응시킨다. 0~25 이외의 숫자는 26의 배수를 더하거나 빼서 얻은 0~25 사이의 수와 같은 숫자로 간.. 2014. 12. 13.
천재 수학자들의 오류 이탈리아의 수학자 그란디(Grandi, L. ; 1671~1742)는 1703년에 무한급수 에 대하여 다음과 같은 두 가지 방법으로 서로 다른 합을 구하였다. 그는 급수의 합이 이처럼 두 가지 값이 될 수 없다고 생각하여 결국 이라고 결론을 내렸다. 왜냐하면 등식 에 을 대입하면 이 성립하기 때문이다. 또한 그는 로부터 , 즉 이라고 생각했다. 독일의 수학자 라이프니츠(Leibniz, G. W. ; 1646~1716)는 철학자 울프(Wolff, C. 1679~1754)에게 쓴 편지에서 그란디의 주장에 동조하면서 합 S가 0 또는 1이 될 확률이 같기 때문에 S는 확률의 이론에 의하여 그 평균인 이라고 하였다. 베르누이(Bernoulli, J. ; 1654~1705), 오일러(Euler, L. ; 1707.. 2014. 12. 13.
코흐의 눈송이 곡선 스웨덴의 수학자인 코흐(Koch, N. F. H. ; 1870~1924)는 1904년에 발표한 논문에서 넓이는 유한하지만 그 영역을 둘러싸고 있는 둘레의 길이는 무한히 긴 도형을 소개하였다. 이 도형을 만드는 방법은 다음과 같다. ❶ 정삼각형을 한 개 그린다. ❷ 정삼각형의 각 변을 3등분하여 가운데 부분을 지운 다음, 그 길이를 한 변의 길이로 하는 정삼각형을 그려서 변을 연결한다. ❸ ❷의 과정을 반복한다. 다음 그림은 위의 과정을 3번 반복한 것이다. 이 과정을 한없이 계속할 때 만들어지는 도형을 그의 이름을 붙여서 '코흐의 눈송이 곡선(Koch snowflake curve)'이라고 한다. 이 눈송이 곡선의 길이를 계산하기 위하여 처음 삼각형의 한 변의 길이가 어떻게 변하는지 알아보자. 위의 그림에.. 2014. 12. 13.
우박 수열 - 콜라츠 추측 독일의 수학자인 콜라츠(Collatz, L. ; 1910~1990)는 1937년에 다음과 같이 정의되는 자연수의 수열을 소개하였다. ❶ 이 홀수이면, ❷ 이 짝수이면, 이와 같은 수열이 어떤 성질을 갖는지 알아보자. 만약 이면 , , 이다.따라서 이 1, 2, 4인 경우에는 그 이후에 4, 2, 1이 반복되어 나타나게 된다. 예를 들면 다음과 같다. 이면 3, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1, 4, 2, 1, … 이면 5, 16, 8, 4, 2, 1, 4, 2, 1, … 이면 6, 3, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1, 4, 2, 1, … 아래의 그래프는 일 때의 수열 을 그래프로 나타낸 것이다. 이 그래프는 마치 롤러코스터처럼 상승과 하강을 반복하다가 4, 2, 1이 반복되면서 안정된다 .. 2014. 12. 12.
아르키메데스의 실진법 그리스의 아르키메데스(Archimedes ; B.C. 287~ B.C. 212)는 역사상 가장 위대한 수학자의 한 사람인데, 가장 훌륭한 수학적 업적 중의 하나로 적분법의 연구를 꼽을 수 있다. 그는 포물선과 직선으로 둘러싸인 도형의 넓이를 그 안에 포함된 삼각형들의 넓이의 합으로 구하는 방법을 생각하였다. 예를 들어 포물선 과 축으로 둘러싸인 도형을 생각해보자. 위의 그림과 같이 꼭짓점 A(-1, 0), B(1, 0), C(0, 1)인 삼각형 ABC의 넓이는 1이다. 또 두 점 과 에 대하여 이다. 또 네 점 , , , 에 대하여 다음이 성립한다. 아르키메데스는 이 도형 안에 삼각형이 아무리 많이 있더라도 위에서와 같이 각 삼각형마다 두 개의 새로운 삼각형을 넣을 수 있고, 이렇게 해서 증가하는 넓이는.. 2014. 12. 12.
케플러의 적분 독일의 천문학자 케플러(Kepler, J. ; 1571~1630)는 천문학에서 행성의 세 가지 운동 법칙의 발견으로 주로 기억되고 있지만, 수학에서도 여러 가지 업적을 남겼다. 행성 운동의 제2 법칙은 '같은 시간에 행성과 태양을 연결하는 선분이 지나는 부분의 넓이는 서로 같다'라는 것이다. 현재와 같은 적분법이 탄생하기 전에 케플러는 이런 넓이를 자기 나름의 방법을 고안하여 계산했다고 한다. 이와 같은 행성 운동의 법칙이 발표된 이후 가장 먼저 제기된 의문은 왜 모든 행성이 타원 궤도를 그리면서 공전을 하느냐 하는 것이었다. 케플러는 그 이유가 태양과 행성 사이에 작용하는 인력 때문이라고 하면서, 인력은 태양과 행성 사이의 거리의 제곱에 반비례한다고 주장하였다. 케플러의 이와 같은 주장을 수학적으로 뒷.. 2014. 12. 11.
정규분포의 역사 정규분포(正規分布, normal distribution)에 대한 연구는 지난 수 세기에 걸쳐 이루어져 왔다. 프랑스의 수학자 라플라스(Laplace, P. S. ; 1749~1827)와 독일의 수학자 가우스(Gauss, K. F. ; 1777~1855) 등에 의하여 수학적인 체계가 갖추어 졌으며, 이후 물리학, 천문학 분야의 여러 학자들에 의하여 실제 자료를 설명하는 데 정규분포가 유용함이 확인되었다. 정규분포가 모든 자료를 설명할 수 있는 것은 아니지만 여러 분야에 가장 널리 이용되고 있는 확률분포이다. 정규분포는 프랑스의 수학자 드무아브르(de Moivre, A. ; 1667~1754)의 1733년 논문에서 처음으로 도입되었다. 드무아브르는 이항분포에서 시행 횟수 n이 클 때 확률의 근삿값을 극한을 .. 2014. 12. 11.
회문(回文)과 대칭수 '회문(Palindrome)'이란 '일요일', '다시 갑시다', '다시 합창합시다', '다 좋은 것은 좋다' 등과 같이 바로 읽으나 거꾸로 읽으나 같은 문장이 되는 것을 말한다. 이것은 서기 79년 로마의 어느 건물 벽에서 발견된 방진에서 유래되었다고 한다. 이 방진에 쓰여 있는 문자들을 옮겨 적으면 아래 그림과 같다. 여기서 Rotas는 창조, Opera는 인간의 작품, Tenet는 법률, Arepo는 쟁기 혹은 경작, Sator는 신을 뜻한다고 하는데 중앙에 위치한 TENET가 바로 회문이다. 숫자 중에서도 바로 읽으나 거꾸로 읽으나 같은 숫자가 되는 것이 있다. 이것을 '대칭수(對稱數)'라고 하는데, 이를테면 1111, 12021, 246575642 등이다. 대부분의 수들은 그 수를 거꾸로 하여 더.. 2014. 12. 10.
마방진(魔方陣, Magic Square) 마방진(魔方陣)은 지금으로부터 4,200년 전 중국 하(夏)나라의 우왕(禹王) 시대의 전설에서 탄생됐다. 우왕은 잦은 홍수로 황하(黃河)가 범람할 때마다 황하의 지류인 낙수(洛水)도 함께 범람하는 것을 막기 위해 공사를 하고 있었다. 그러던 어느 해에 강의 한가운데서 큰 거북이 나타나서 잡았는데, 이 거북의 등에 신비한 점 무늬가 새겨져 있었다고 한다. 이상하게 여긴 우왕이 이 거북의 등에 새겨진 무늬에 대해 알아보게 하였는데 당시 사람들은 그 무늬를 하늘이 보내준 것으로 믿고 귀하게 여겨 '낙수에서 얻은 글'이라는 뜻으로 '낙서(洛書)'라고 이름 지었다. 거북의 등에 새겨진 그림은 1부터 9까지의 자연수를 점의 개수로 나타낸 것이고 가로, 세로, 대각선 각각의 숫자의 합이 모두 15이다. 이 수표는 네.. 2014. 12. 9.
도박에서 출발한 확률 연구 17세기 중반 상류층 귀족인 드 메레(de Méré ; 1607~1684)는 주사위 한 개를 네 번 던질 때 6의 눈이 적어도 한 번은 나온다는 데 돈을 걸었다. 다른 사람들이 그와 내기를 하는 것이 현명하지 않다는 사실을 깨달을 때까지, 그는 이 내기로부터 상당한 이익을 얻었다. 그는 경험을 통해 진 경우보다 이긴 경우가 더 많다는 사실을 알고 있었다. 그렇지만 주사위 한 개를 네 번 던질 때 6의 눈이 적어도 한 번은 나올 확률이 , 즉 약 51.8%라는 사실은 알지 못했다. 충동적인 도박꾼이었던 드 메레는 또 다른 내깃거리를 찾아냈다. 주사위 두 개를 동시에 24번 던질 때, 나온 두 눈의 수의 합이 12가 되는 경우가 24번 중 적어도 한 번 있다는 데 돈을 걸기 시작한 것이다. 이 내기가 처음에.. 2014. 12. 8.
음악 주사위 게임(Musical dice game) 천재 음악가인 모차르트(Mozart, W. A. ; 1756~1791)는 주사위를 이용하여 미뉴에트(minuet)를 작곡하는 방법을 많은 시행착오 끝에 고안하여 아래와 같은 표를 악보로 만들었다. 이는 16마디의 미뉴에트와 16마디의 트리오(trio)로 되어 있는데, 연주하기 전에 주사위를 던져서 서로 다른 음형 중 주사위 값에 해당하는 것을 선택하도록 되어 있다. 이 미뉴에트는 마디마다 11가지 음형이 있고 트리오에는 6가지 음형이 있다. 모차르트는 아래 그림과 같은 가로 16줄, 세로 11줄로 이루어진 표를 만들어 놓고 주사위 두 개를 동시에 던져서 나오는 숫자의 합으로 한 마디씩 골라 미뉴에트를 선택하고, 트리오는 주사위 한 개를 던져서 작곡했다고 한다. 흔히 이와 같은 작곡법을 '알리아토릭(ale.. 2014. 12. 8.
유휘의 할원술 중국의 위나라 사람인 유휘(劉徽, ?~?)는 263년에 의 주석을 썼는데, 이 책의 제1권 '방전(方田)'의 제31번과 제32번의 문제에 대한 주석에서 원주율의 근삿값을 구하는 일반적인 방법을 제시하였다. 유휘가 제1권 '방전' 제35, 36문의 활꼴 밭 문제에 대한 주석에서 제시했을 것이라고 청나라 산학자 대진(戴震, 1724~1777)이 추측한 그림 유휘는 원에 내접하는 정육각형의 변의 길이를 이용하여 그 원에 내접하는 정십이각형의 넓이를 구하고, 정십이각형의 변의 길이를 이용하여 정24각형의 넓이를 구하는 과정을 반복하여 정48각형, 정96각형, 정192각형의 넓이를 차례로 계산하였다.그 방법은 다음과 같다. 위의 그림에서 원O의 반지름의 길이를 이라 하고, 는 정각형의 한 변으로 이라 하자. 이제.. 2014. 12. 8.
음속 폭음(sonic boom) 잔잔한 호수에 돌을 던지면 동심원의 파문이 생기는데, 이러한 파문은 보트가 지나갈 때도 보트의 앞과 뒤에 생긴다. 그런데 보트의 속력이 파문의 속력보다 빠르면 이 파문들이 합쳐져서 V자 모양의 파를 보트의 앞과 뒤에 형성한다. 이와 비슷한 현상은 하늘을 나는 비행기 주변에서도 일어난다. 비행기가 날 때 비행기의 앞과 뒤의 공기의 흐름으로 압력파를 형성하고, 이 압력파는 소리의 속력만큼 빠르게 움직인다. 비행기의 속력이 빨라지면 빨라질수록 이 압력파들이 점점 압축되고, 급기야 비행기의 속력이 소리의 속력보다 빨라지면 압축파들이 비행기의 앞부분과 뒷부분에 원뿔 모양의 강력한 충격파를 형성한다. 이 충격파가 지상에 도달하면 우리는 큰 소리를 듣게 되는데, 이를 음속 폭음(sonic boom)이라고 한다. 이 .. 2014. 12. 8.