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수학이야기93

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.
비만도 산출 공식 우리는 생활하면서 유리식을 사용하는 경우가 많다. 그 중의 하나가 비만도 산출 공식이다. 비만도를 측정하는 공식으로 보통 많이 이용하는 것은 세계보건기구(WHO) 표준 비만도 산출 공식이다. 키가 이고 몸무게가 일 때, 비만도 산출 공식은 다음과 같다. 여기서 를 표준 체중이라고 한다. 여자의 경우 105를 빼기도 하지만, 보통은 남녀 구분 없이 100을 뺀다. 이렇게 구한 비만도에 따라 청소년과 성인의 비만 정도를 나타내면 다음과 같다. 예를 들어, 키가 인 성인의 몸무게가 일 때, 비만도를 구하면이다. 표에 따르면 이 사람은 정상에서 약간 벗어난 과체중이다. 위의 표를 보면 청소년들의 정상 범위가 어른보다 더 넓음을 알 수 있는데, 이는 청소년들은 아직 성장하는 과정 중에 있기 때문이다. 2014. 12. 6.
지문과 수학 추리소설 또는 텔레비전의 수사물에서 지문은 범인을 잡는 데 결정적인 증거가 된다. 지문은 그 모양과 형태에 따라 반원형 지문과 고리형 지문 그리고 소용돌이형 지문으로 구분된다. 반원형 지문은 지문선이 한쪽에서 들어와서 다른 쪽으로 나가는 평탄한 반원형 지문(A)과 지문선이 대칭적이고 가운데 부분이 마치 천막을 친 것과 같은 모양을 한 천막 모양의 반원형 지문(T)으로 나누어진다. 고리형 지문은 지문선이 왼쪽에서 시작하여 왼쪽으로 나가는 왼쪽 고리형 지문(U)과 지문선이 오른쪽에서 시작하여 오른쪽으로 나가는 오른쪽 고리형 지문(R)이 있다. 소용돌이형 지문(W)은 다음 그림과 같이 네 가지 종류가 있지만 모두 한 가지로 분류하고 있다. 이와 같은 지문의 형태는 반원형 지문이 전체의 5%, 고리형 지문이 전.. 2014. 12. 6.
아벨의 장난 아벨(Abel, N. H. ; 1802~1829)은 1802년 노르웨이의 핀드에서 시골 목사의 아들로 태어났다. 아벨이 18세였던 1820년에 아벨의 아버지는 48세의 나이로 죽었다. 그래서 어머니와 여섯 명의 형제들을 보살펴야할 책임이 그에게 주어졌고, 가난은 평생 그를 따라다녔다. 아벨은 홀름보에 선생님을 만나면서부터 천재성을 발휘하였고, 가난했지만 수학을 더 공부하기 위하여 대학에 입학했다. 아벨은 대학생이 되어서도 끼니를 굶어가며 열심히 공부하여 대수학에서 뛰어난 업적을 이루었다. 그의 많은 업적 중 하나는 5차 대수방정식 의 근을 일반적으로 구하는 공식은 없다는 것을 증명한 것이다. 유명한 수학자 에르미트는 아벨의 업적에 대하여 "그가 남긴 업적은 앞으로 500년 간 수학자들을 바쁘게 할 것이다.. 2014. 12. 5.
해밀턴의 세계 일주 게임 19세기 영국의 수학자 해밀턴은 그래프와 관련된 여러 가지 재미있는 문제를 제기하였는데 그 중에는 아직까지 완전히 해결되지 않은 문제도 있다. '세계 일주 게임'은 그가 1857년에 소개한 것으로, 정십이면체의 20개의 각 꼭짓점에 세계의 유명한 도시의 이름을 붙인 후, 어느 한 도시를 출발하여 모서리를 따라 다른 도시를 모두 방문하고 처음 도시로 돌아오는 게임이다. 이때, 한 번 방문한 도시는 다시 방문하지 않는다. 해밀턴은 정십이면체를 평면그래프로 나타내어 이 문제를 다음 그림과 같이 해결하였다. 위의 게임에서와 같이 같은 길을 지나지 않고 주어진 그래프 상의 점을 모두 한 번씩 지나서 출발점으로 돌아올 수 있는 길을 '해밀턴 폐쇄로'라고 한다. 해밀턴 폐쇄로 문제는 '어떤 경우에 해밀턴 폐쇄로가 있.. 2014. 12. 5.
심슨의 역설(Simpson's Paradox) 영국의 통계학자인 심슨(Simpson, E. ; 1910~1961)은 1951년에 여러 개의 그룹을 합쳐 놓았을 때 각 그룹의 우열 관계가 뒤바뀌는 현상에 대하여 주목하였다. 예를 들어 새로 나온 어떤 약이 남녀 모두에게 이전의 약보다 더 좋은 효능을 보인다. 그러나 그 약은 전체적으로 볼 때 효능이 더 떨어진다. 혹은 어떤 회사는 직원을 채용할 때 남자보다 여자를 선호한다. 그러나 전체적으로 볼 때 여성의 채용 비율이 남성에 비하여 더 낮다. 이와 같이 동일하지 않은 가중치를 적용함에 따라 부분에 대한 분석 결과와 전체에 대한 분석 결과가 일치하지 않는 현상을 '심슨의 역설(Simpson's Paradox)'이라고 한다. 어느 대학에서 신입생의 합격률(지원자 수에 대한 합격자 수의 비율)을 조사한 결과.. 2014. 12. 5.
티티우스 수열 국제천문연맹(IAU)은 2006년 8월 24일 IAU 총회에서 태양계 안에 있는 천체에 국한하여 행성을 다음과 같이 정의하였다. 1. 태양 주위를 돈다. 2. 충분한 질량을 가져서 정역학적 평형을 이루며, 구형에 가까운 형태를 가지고 있다. 3. 주변 궤도의 천체에서 지배적인 위치를 차지한다. 이 조건을 모두 만족시키는 태양계의 행성은 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 여덟 개이다. 그러나 이전까지 행성으로 분류되었던 명왕성은 세 번째 조건을 만족시키지 못하므로 행성이 아닌 왜소행성으로 분류되었다. 1766년 독일의 천문학자 티티우스(Titius, J. D. ; 1729∼1796)는 수열을 이용하여 그때까지 발견된 행성인 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성과 태양 사이의 .. 2014. 12. 1.