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수학이야기103

적분의 실생활 활용 [3D 프린터] 일반적으로 프린터는 컴퓨터에 나타난 글자나 그림을 종이에 그리는 기계를 의미한다. 그런데 이제는 컴퓨터에 나타난 3차원 설계도를 3D 프린터로 구현할 수 있다.3D 프린터는 1984년 미국의 3D 시스템즈사가 플라스틱 액체를 굳혀 물건을 만드는 프린터를 세계 최초로 개발하면서 그 역사가 시작됐다.최근 3D 프린팅 기술의 특허가 만료되면서 누구나 쉽게 기술을 사용할 수 있게 되었기 때문에 연구가 활발히 진행되자 사람들의 관심을 끄는 연구도 나오게 된 것이다.3D 프린터로 만든 제품을 만져보면 겉표면이 거칠거칠하다. 한 층씩 쌓아 올리는 방식으로 만들어서 그렇다. 3차원 제품을 가로축을 기준으로 2차원 평면이 되도록 잘게 쪼갠 다음, 아래에서부터 한 층 한 층 쌓아 올린 것이다.이런 원리는 .. 2020. 8. 28.
미분의 발명과 분쟁 1675년에 독일의 저명한 철학자이자 수학자인 라이프니츠는 『분수에도, 무리수에도, 장애 없이 적용할 수 있는, 극대와 극소, 또한 접선에 대한 새로운 방법, 그리고 그것을 위한 특이한 계산법』이라는 긴 제목의 수학 논문을 발표하였는데, 이것이 미분학의 발명을 둘러싼 논쟁의 시발점이 되었다.라이프니츠가 이 논문을 발표하기 10년 전, 이미 미분을 아이작 뉴턴이 알고 있었다. 뉴턴은 타원이 회전할 때 순간의 속도를 유율이라 정의하였는데 이것이 미분의 개념이다. 그는 이러한 개념을 동료의 권유로 책으로 출판하려 했지만 조금 미루다 결국 라이프니츠가 먼저 미분을 발표하게 된 것이다. 영국의 수학자들은 뉴턴이 미분의 창시자라고 생각했지만, 라이프니츠의 추종자들은 뉴턴이 그의 이론을 표절한 것이라 생각했다.그러던.. 2020. 8. 25.
생활 속의 미분 활용 [무인 단속 카메라] 고정식 무인카메라는 일종의 감지선으로 카메라 전방 20~30m 앞에 사각형으로 그려져 있는 루프 방식이다. 도로에 속도를 읽는 센서를 내장한 두 줄의 루프를 깔고, 그 사이를 지나는 차의 '시간'을 측정해 '속력'으로 환산하는 것이다.'속력=거리÷시간'이라는 공식에 따라 센서값의 평균변화율을 계산하여 과속이 인지되면 곧바로 카메라 플래시가 번쩍 터지면서 사진을 찍게 되는 원리로 되어 있다. [애니메이션] 물의 움직임을 나타내는 시뮬레이션은 유체역학 이론을 기초로 한다. 공기나 물의 흐름을 설명할 수 있는 미분방정식의 일종인 '나비에-스토크스 방정식'이 설계의 기본이다. '나비에-스토크스 방정식'은 백만 달러의 상금이 걸려 있는 세계 7대 수학 난제 중 하나이다. 아직 방정식의 해를 .. 2020. 8. 24.
극한의 엄밀한 정의 미적분을 공부하다 보면 코시라는 수학자의 이름을 자주 듣게 된다. 특히 '코시-슈바르츠의 부등식'을 알고 있는 사람이면 코시라는 수학자의 이름을 이미 들어 봤을 것이다.그는 수학과 물리학에 업적이 많다. 특히 극한이라는 개념의 엄밀한 정의를 만드는데 기초를 마련한 사람이다. 또한 과학아카데미에서 논문의 분량을 4페이지로 제한한 이유가 코시의 논문 양이 매우 많아서였기 때문이었다고 하는 웃지 못할 일화의 주인공이기도 하다.코시는 프랑스 혁명 시기에 파리에서 태어났다. 정치적 혼란으로 인해 자주 이사를 했기 때문에 아버지에게 교육을 받았다. 그런데 당대 최고의 수학자인 라플라스와 라그랑주에게 재능을 인정받아 그들은 그에게 수학 공부를 권유하게 되었다. 1805년에 에콜 폴리테크니크에 입학하여 공학을 전공하고.. 2020. 8. 23.
테셀레이션의 아버지 Escher M.C. Escher는 네덜란드 출신의 판화가이다. 그의 작품들은 동일한 모양을 이용해 틈이나 포개짐 없이 평면이나 공간을 완전하게 덮는 '테셀레이션(Tessellation)'이라는 독특한 분야에 일가견이 있는 사람이었다. 단순한 기하학적 무늬에서 수학적 변환을 통한 반사, 미끄럼 반사, 평행이동, 회전의 기법을 이용해 정삼각형, 정사각형, 정육각형을 변형하여 동물, 새, 도마뱀, 개, 나비, 사람 등의 여러 형태로 변형시켰다. 그의 작품 가운데 『원형극한Ⅲ』은 테셀레이션의 기법을 이용하여 반복되는 그림의 극한을 잘 보여주고 있다.그리고 『뫼비우스의 띠Ⅱ』에서 안과 밖이 구별되지 않는 뫼비우스의 띠를 무한히 반복되는 개미들의 행진으로 보여주고 있다. 그는 폴리아라는 수학자가 스케치한 17개의 벽지 디자인.. 2020. 8. 21.
톨스토이 문제 러시아의 대문호 톨스토이는 어려운 문제를 즐겨서 풀었지만 늘 교묘한 방법으로 풀어서 주위를 깜짝 놀라게 했다. 다음은 그가 낸 문제이다. 농부들이 밭 두 뙈기의 풀을 베려고 한다. 그 중 한 풀밭은 다른 풀밭의 넓이의 2배라고 한다.농부들은 큰 풀밭에서 반나절 동안 풀을 벤 다음, 두 조로 나누어 절반은 계속 큰 풀밭에서 풀을 베고 나머지 절반은 작은 풀밭에서 풀을 벤다고 한다.저녁 무렵에 큰 풀밭의 풀은 다 벴는데 작은 풀밭은 아직도 풀이 남아 있었다.이튿날 어제 벴던 농부 중 한 사람을 다시 보내서 작은 풀밭을 베게 했는데 하루가 걸렸다.풀을 벤 농부의 수는 모두 몇 명이었나? 농부들의 풀을 베는 능력은 같은 것으로 하자. 톨스토이는 그림을 그려가면서 농부의 수를 구했다.전체 농부들이 반나절 동안 큰.. 2020. 8. 8.
GPS와 삼각함수 위성에서 보내는 신호를 수신해 사용자의 현재 위치를 알려주는 시스템인 GPS(Global Positioning System)는 1970년대 폭격의 정확성을 높이기 위해 미국 국방성에서 최초로 개발한 것이다.실제로는 인공위성이 알려주는 건 장소가 아니라 인공위성 자신의 위치와 현재 시간이다. GPS 수신기는 어떻게 자신의 위치를 알게 될까? GPS 수신기를 이용하여 자신의 위치를 알 수 있게 하는 원리 속에는 삼각함수의 개념이 들어가 있다. 흔히 인공위성이 자신의 위치를 GPS 수신기에 가르쳐 준다고 알고 있다. 하지만 인공위성은 각자의 위치를 가르쳐 줄 수 있는 것이 아니라 인공위성 자신의 위치와 시간을 GPS 수신기에 가르쳐 주고 있는 것이다.정확히 GPS의 원리는 위성과의 거리를 측정하는 데 있다.G.. 2020. 8. 7.
생활 속 지수와 로그 [반감기]2011년 일본 후쿠시마에서는 지진해일로 원전이 부서져 많은 오염수와 방사능의 누출이 있었다.원자로의 핵연료로 사용하는 우라늄(U-235)이 붕괴하면 플루토늄, 세슘, 스트론튬, 아이오딘, 삼중수소 등의 방사성 원소들이 만들어진다.이 방사성 원소들에게는 반감기가 있다. 반감기란 방사성 원소가 반으로 붕괴되는 시간을 나타낸다.그런데 방사성 원소가 반으로 줄어드는데 시간이 일정하다는 특성이 있다. 예를 들어 100g의 방사성 원소가 50g으로 줄어드는데 4시간이 걸렸다면 50g에서 25g으로 줄어드는 데도 4시간이 걸린다. 다시 25g이 12.5g으로 줄어드는 시간도 4시간이다. 이렇게 절반으로 줄어드는데 걸리는 시간이 일정한 경우를 '지수함수적 붕괴'라고 한다. [베버-페히너의 법칙]독일의 학자 .. 2020. 8. 7.
생활 속에 숨어 있는 함수 1. 무더운 여름철 방송에서 "오늘은 불쾌지수가 77 정도로 약 50%의 사람들이 짜증스러움을 느끼므로, 조금만 감정을 다스려 편안한 하루를 보내시길 바랍니다."라고 보도하는 것을 듣는다.다음은 불쾌지수에 따라 불편함을 느끼는 사람들의 비율이다.68 미만 : 0%68~75 : 10%75~80 : 50%80~86 : 90%86 이상 : 100%불쾌지수란 온도와 습도에 관한 함수이다. 불쾌지수 계산은 다음과 같이 구한다.건습계의 건구 온도계와 습구 온도계가 나타내는 온도를 각각 K, S라고 하면,불쾌지수(u)는 u=(K+S)×0.72+40.6 으로 정의된다. 2. 간식 값 내기, 벌칙 정하기, 데이트 상대 정하기 등을 할 때, 자주 이용되는 것이 사다리타기 게임이다. 사다리타기 게임에서 어떤 사다리를 만들더.. 2020. 8. 3.
페르마의 마지막정리 다음의 정리를 『페르마(Fermat)의 대정리』 혹은 『Fermat의 마지막정리』라고 한다. 페르마는 직업적인 수학자가 아니라, 툴르즈 지방 의회에 소속된 법률가이자 치안 판사였다. 그는 수학에 대한 정규 교육을 받은 적도 없었지만, 수학에 강렬한 애착을 갖게 되었다. 그는 자신의 생존 기간 중 수학에 대해 사실상 아무 것도 출판하지 않았다. 그러나 그는 당시의 위대한 수학자들과 매우 많은 서신 왕래를 하였다.이 유명한 마지막정리의 형식화에 이르는 과정은 매우 흥미롭다. 1453년 콘스탄티노플이 터키에 의해 함락되었을 때 비잔틴 학자들은 고대 그리스 문헌을 갖고 서유럽으로 피신했다. 그 중에는 당시까지 보관되던 디오판토스의 산학(arithemetica)이 있었다. 이 책은 후에 1621년 중 그리스 문헌.. 2020. 7. 16.
수학사에 남을 '15번째 오각형' 발견 바닥면에 겹치거나 빈 틈이 없도록 타일을 붙일 수 있는 새로운 오각형이 3명의 수학자들에 의해 발견되었다. 수학사의 한 쪽을 장식할 '사건'으로 평가받고 있는 이 발견의 주인공들은 미국 워싱턴 대학의 수학자들로, 학부생이 만든 컴퓨터 프로그램을 이용해 이 큰 발견을 이끌어낸 것이다. 이 발견이 있기 전까지 평면을 덮을 수 있는 오각형 종류는 14개가 발견된 상태였다. 마지막 종류는 1985년에야 발견되었는데, 평면을 덮을 수 있는 오각형의 종류가 더 있는지는 아직 아무도 모른다. 이번에 15번째로 발견된 오각형은 부등변오각형으로, 5개의 변 중 두 개가 같을 뿐이다. 이 발견은 물리학에서 새로운 소립자를 발견한 것과 비슷한 것으로 수학계에 받아들여지고 있다고 연구진은 말한다. ▲ 바닥면에 겹치거나 빈 틈.. 2015. 8. 19.
비에타의 방법 프랑스 앙리 4세의 궁정 고문관이며 수학자인 프랑수아 비에타(1540~1603)는 대수적 표기법을 개선하는 결정적인 단계를 밟았다. 유클리드 시대 이래로, 문자는 방정식에 들어갈 양을 나타내는 데 사용되었으나 찾아야 할 '미지(未知)의 양'과 알고 있다고 가정된 '기지(旣知)의 양'을 구별하는 방법은 없었다. 비에타는 알파벳의 대문자 중 모음은 현재 변수라 부르는 '미지의 양'을 나타내고, 자음은 주어진 것으로 가정된 '기지의 양'을 나타내자고 제안하였다. 간단하지만, 이런 관례는 계수가 지정된 수인 특정한 예를 다루어야만 했던 대수학을 해방시키는 엄청난 결과를 초래했다. 비에타의 문자 표기법이 도입되기 전에는 특정한 방정식에만 관심을 두어야 했다. 즉, 또는 과 같은 개별적인 방정식에 대한 그 자체의 .. 2015. 6. 30.
연분수를 이용한 증명 연분수란, 주어진 수를 '정수부분과 소수부분으로 나눈 뒤, 소수부분이이 아닐 경우 소수부분의 역수를 다시 정수부분과 소수부분으로 나누는 과정'을 반복하여 얻는 식을 말한다.예를 들어, 유리수를 정수부분과 소수부분으로 나누면이고 소수부분의 역수를 다시 정수부분과 소수부분으로 나타내자. 그럼이고 소수부분의 역수를 정수부분과 소수부분으로 나누면이고 소수부분이이므로를 연분수로 나타내면이 된다. 이와 같이 유리수를 연분수로 나타내는 과정에 등장하는 소수부분의 분모와 분자가 위의 과정을 거치면서 작아지기 때문에 어떤 유리수든지 위의 과정을 유한 번 적용하면 소수부분이 이 나오게 된다.하지만 가령를 연분수로 나타내어 보면이므로의 정수부분은이고 소수부분은이다. 소수부분 의 역수을 다시 정수부분과 소수부분으로 나누면이므.. 2015. 6. 30.
결혼 공식 미국의 수학자 Garth Sundem은 특이한 공식을 개발하는 것으로 유명한 사람이다. 다음은 그가 개발한 여러 개의 공식들 중 결혼에 관한 두 가지 공식이다. (1) 나의 결혼이 지속될 확률은 얼마나 될까? A : 결혼하려고 하는 해의 그녀의 나이 E : 고등학교 졸업 후에 현재까지 몇 년 동안 교육을 받았는가?(두 사람의 것을 합해야 함) K : 이 결혼으로 생각하고 있는 아이들의 수 R : 커플의 신앙이 얼마나 깊은가.(1에서 10까지 점수를 매길 수 있으며, 10은 교황이 기준) D : 커플의 부모가 몇 번이나 이혼을 했는지(역시 두 사람의 것을 합해야 함) P : 이 결혼 이전에 결혼을 했던 횟수(두 사람의 합) T : 당신이 확률을 계산하고 있는 연도 는 Happy ever after로, 동화.. 2015. 5. 13.
4색 문제(four color problem) 1852년 10월, 영국 런던에 있는 유니버시티 대학(University College)의 대학원생 프렌시스 구드리에(Francis Guthrie)는 영국 지도를 색칠해 나가다가 '인접한 구획들이 같은 색으로 칠해지는 경우가 없게 하려면 최소한 몇 가지의 색이 필요할까?'라는 의문을 갖게 되었다. 결국 영국의 지도에 있는 지역들을 구별하여 색칠하는 데는 4가지 색이면 충분하다는 사실을 알게 되었다. 그는 임의의 구획으로 나누어져 있는 지도를 칠할 때 4가지 색이면 대부분 되는 것 같았지만 확신을 가질 수는 없었다.다섯 가지 이상의 색을 사용해야 조건에 맞게 그릴 수 있는 지도가 존재할까, 아니면 네 가지 색이면 어떤 지도에서도 인접한 구획들이 다른 색으로 칠해질 수 있음을 증명할 수 있을까? 구드리에는 .. 2015. 5. 13.
공평한 분배의 방법 1. 두 사람이 케이크를 공평하게 나누는 방법 A, B 두 사람이 케이크 하나를 공평하게 나누어야 하는데, 조금이라도 적게 받은 사람은 불평을 할 것이다. 모두 만족스럽게 케이크를 나누는 방법을 생각해보자. 케이크를 똑같이 나누는 여러 가지 방법이 있지만 다음과 같이 나누면 어느 쪽도 불만이 있을 수 없다. ① A가 케이크를 두 조각으로 나눈다. ② 나눈 두 조각 중 하나를 B가 가진다. ③ 남은 한 조각을 A가 갖는다. 2. 세 사람이 케이크를 공평하게 나누는 방법 이제 A, B, C 세 사람이 케이크 하나를 공평하게 나누어야 한다. 한 사람이 불공평하게 나누면 두 사람이 불만이 생기기 때문에 두 사람이 케이크를 나누는 것보다 더 어렵게 보인다. 다음과 같이 모두 불만이 없이 공평하게 분배할 수 있다... 2015. 5. 13.
수를 세는 일상 단위 현재는 길이나 면적, 무게를 나타낼 때 국제단위계라고도 하는 SI 단위를 사용하는데 길이를 나타내는 m, 시간을 나타내는 s, 무게를 나타내는 kg 등이 있다. 그렇다면 국제단위계 말고도 우리 주변에서 사용하는 단위로는 무엇이 있을까? 많이 알려진 것으로는 건물의 면적을 나타내는 평, 한 묶음의 단위로 사용되는 다스 등이 있다. 그 외에도 많은 일상 단위가 있는데 몇 가지 살펴보도록 한다. · 자(척), 장, 치(촌), 푼 : 1척 = 1/10장 = 10촌 = 100푼 = 30.3cm · 평 : 가로 세로 6자의 넓이. 1평 = 3.3058㎡ · 단보, 정보 : 땅 넓이의 단위. 1정보 = 10단보 = 3000평 · 마지기 : 논밭 넓이의 단위로 한 마지기는 볍씨 한 말의 모 또는 씨앗을 심을 만한 넓이.. 2015. 5. 13.
요절한 천재수학자 아벨과 갈루아 이차방정식과 삼·사차방정식의 일반적인 해법(근의 공식과 같이 계수들의 사칙연산과 거듭제곱 및 제곱근의 연산만으로 해를 구하는 것)이 밝혀진 후 많은 수학자들이 꼴의 오차방정식의 일반적인 해법을 찾으려고 노력했다. 그러나 16세기 말 사차방정식의 해법을 발견한 이래 200여 년이 더 지난 19세기 초까지도 해법을 찾지 못했다. 그러나 1824년, 22세의 젊은 수학자 아벨(Abel, N. H. ; 1802~1829)이 '오차 이상의 방정식의 일반적인 해법은 존재하지 않는다.'는 사실을 증명했다. 그는 200년간 풀리지 않은 어려운 문제를 증명했으나 그 당시 수학계의 1인자인 가우스(Gauss, K. F. ; 1777~1855)조차도 이 논문을 읽어보지도 않고 쓰레기통에 버렸다고 한다. 그는 계속된 가난과 .. 2015. 4. 27.
기약다항식 판정법 자연수를 소인수분해하면 그 자연수에 대하여 보다 많은 것을 알게 된다. 자연수의 소인수분해의 중요성은 일찍부터 알려져 있었으며 여러 가지 계산에 소인수분해를 이용하였다. 유클리드(Euclid ; ? B.C. 325~? B.C. 265)의 원론(Elements)에는 '1보다 큰 자연수는 오직 한 가지 방법에 의한 소수의 곱으로 나타내어진다.'는 정리가 소개되어 있다. 그러나 자연수를 더 작은 자연수로 분해하여 보겠다는 생각이 다항식에 적용되기까지는 2000여 년의 시간이 걸렸다. 독일의 수학자 가우스(Gauss, K. F. ; 1777~1855)는 '일차 이상의 다항식은 기약다항식의 곱으로 유일하게 인수분해된다.'는 것을 증명하였는데, 그 이후로 자연수에서 소인수분해가 했던 역할이 다항식의 인수분해에도 그.. 2015. 4. 27.
황도좌표에 따른 절기(節氣) 수학에서 우리는 점의 위치를 나타내기 위하여 직교좌표계를 이용한다. 수평선과 수직선, 즉 x축과 y축은 평면을 사분면(四分面)으로 나눈다. 또, 어떤 점의 위치를 나타내기 위하여 두 실수의 순서쌍 (x, y)로 좌표를 나타낸다. 한편, 평면상의 점을 극좌표계로도 나타낼 수 있다. 극좌표는 원점으로부터의 거리와 원점에서 그 점을 지나는 반직선이 축의 양의 방향과 이루는 각을 이용하여 나타낸다. 천구에서 극좌표를 응용한 예가 황도좌표이다. 황도좌표는 주로 달과 행성 등 태양계 천체의 궤도와 위치 표시에 쓰이며, 경도·위도는 각각 황경(黃經)·황위(黃緯)라고 한다. 황경은 춘분점을 0°로 하여 동쪽으로 돌며 360°까지 표시된다. 즉, 하지 때의 태양 황경은 90°, 추분 때는 180°, 동지 때는 270°가.. 2014. 12. 29.
벤포드의 법칙(Benford's law) 대부분의 사람들은 우리 주변에 널린 다양한 수치 자료들을 모아서 맨 앞자리의 숫자를 조사하면 1, 2, 3, …, 9가 당연히 11.1%의 비슷한 확률로 나타날 것이라고 생각할 것이다. 그러나 경제 지표들에 나타나는 숫자, 주소에 있는 숫자, 어떤 회사의 회계 장부에 있는 숫자 등과 같은 다양한 숫자들을 수집하여 그 수들의 맨 앞자리의 숫자들을 조사해 보면 첫 자리의 수가 1인 것이 무려 30%로 가장 빈번하게 나타나고, 2에서 9로 갈수록 그 빈도는 현저히 낮아진다. 이러한 숫자들의 분포를 공식화한 것이 '벤포드의 법칙(Benford's law)'이다. 벤포드의 법칙은 다양한 데이터의 십진법의 값에서 첫 자리의 수가 1인 경우가 많은 것처럼 맨 앞자리에 오는 숫자가 고르게 분포되어 있지 않다는 법칙으로.. 2014. 12. 29.