생글생글

뉴턴의 미적분 아이디어, 라이프니츠가 확산시켰죠

어려운 수학의 대명사로 미적분을 많이 언급하고는 합니다. 오늘은 그 이야기보다 미분과 적분을 둘러싼 흥미로운 내용을 소개하겠습니다.미분과 적분은 어떤 사람이 만든 걸까요? 아니, 누가 먼저 생각했을까요? 한 번쯤 궁금해했을지도 모르겠네요. 그런데 놀랍게도, 이 질문엔 아직도 완전히 속 시원한 답을 찾지 못했습니다. 미적분은 17세기 후반, 영국과 독일에서 서로 다른 방식으로 ‘거의 동시에’ 등장했기 때문이죠. 그리고 이를 둘러싼 두 수학자 뉴턴과 라이프니츠의 이야기는 수학사에서 매우 흥미로운 에피소드 중 하나로 꼽힙니다.17세기 과학자들은 더 이상 단순한 기하학으로는 설명할 수 없는 문제들에 직면하게 됩니다. 여기서 말하는 ‘단순한 기하학’이란 직선, 원, 삼각형과 같은 도형의 성질을 다루는 고전적 기하학을 말합니다. 이러한 기하학은 정적인 구조나 형태에는 탁월했지만, 시간에 따라 끊임없이 변하는 운동이나 변화량을 다루기에는 한계가 있었죠. 예를 들어 행성은 어떻게 움직일까? 물체가 가속하면 그 순간의 속도는 어떻게 계산할까? 곡선의 접선은 어디서부터 어떻게 그려야 할까? 이러한 질문들에는 새로운 접근이 필요했습니다.이런 질문들에 답하기 위해 아주 작은 변화량을 다루는 새로운 수학이 등장했습니다. 바로 이것이 오늘날 우리가 ‘미적분’이라고 부르는 수학입니다. 미적분은 물체가 움직일 때 그 순간의 속도를 구하거나, 곡선 아래의 넓이를 계산하거나, 어떤 양이 점점 변할 때 그 전체적인 변화를 추적하는 데 쓰는 도구입니다. 정지해 있는 도형을 다루는 기하학과 달리, 미적분은 시간이나 위치에 따라 끊임없이 변하는 현상

자동차 상향등의 비밀은 포물선에 있죠

계수가 실수인 두 일차식의 곱으로 인수분해되지 않는 x, y에 대한 이차방정식 Ax2 + By2 + Cxy + Dx + Ey + F=0 (A, B, C, D, E, F는 실수)이 나타내는 곡선을 이차곡선이라 하고, 이차곡선에는 원, 포물선, 타원, 쌍곡선 등이 있습니다. 지난 생글생글 895호의 ‘재미있는 수학’에서는 이차곡선 중 타원과 빛의 성질에 대해서 살펴보았습니다. 이번에는 이차곡선 중 포물선과 빛의 성질에 대해 알아보겠습니다.어두운 밤에 운전할 때, 자동차의 상향등을 켜면 도로를 넓고 멀리 밝혀주어 운전하기가 편합니다. 이는 자동차의 상향등이 빛을 한 방향으로 집중되어 멀리까지 고르게 비춰주기 때문인데, 여기에 포물선과 빛의 성질에 관한 수학적 원리가 담겨 있습니다.포물선은 평면 위의 한 점 F와 이 점을 지나지 않는 한 직선 ℓ이 주어질 때, 점 F와 직선 ℓ에 이르는 거리가 각각 같은 점들의 집합이고, 점 F를 포물선의 초점, 직선 ℓ을 포물선의 준선이라고 합니다. 이때 포물선의 초점 F를 지나고 준선 ℓ에 수직인 직선을 포물선의 축, 포물선과 축의 교점을 포물선의 꼭짓점이라고 합니다.포물선을 축 둘레로 회전시켜서 얻어지는 곡면을 포물면이라 하고, 포물면의 안쪽을 반사면으로 하는 오목거울을 포물경이라고 하는데, 포물선의 초점에서 나간 빛은 포물면에 반사되어 포물경의 축과 평행하게 나갑니다. 이를 이용해 한 방향만 밝게 비추도록 고안한 것이 자동차의 상향등입니다.포물선과 빛의 성질은 빛이 최단 경로로 진행한다는 페르마의 법칙과 입사각과 반사각이 같도록 반사된다는 반사의 법칙에서 나옵니다. [그림1]과 같이 포물선의 초점에서 출발한 빛이 포물선에 반사되어 축과 평행하게 지나는

전기의 진동, 빛의 파동…허수가 문제 푸는 열쇠죠

허수는 처음엔 받아들이기 어려운 개념이었다. 실수처럼 눈으로 볼 수도, 손으로 측정할 수도 없기 때문이다. 그러나 계산 속에서 그 존재는 점점 더 명확해졌다. 삼차방정식을 풀던 과정에서, 전기회로의 진동을 분석할 때, 빛의 파동과 소리의 진동을 수식으로 설명할 때, 허수는 실수보다 더 자연스럽게 문제를 해결하는 열쇠가 되었다.우리는 허수를 기호 i로 표현하기로 약속했다. 이때 i는 i2=-1이라는 관계를 갖는 특별한 수로, 실수로는 도저히 표현할 수 없는 새로운 수의 세계를 열어준다. 이 허수는 단독으로 존재하기보다 실수와 결합해 함께 나타나는 경우가 많다. 예를 들어 a+bi라는 형태는 하나의 수처럼 보이지만, 사실은 실수 a와 허수 b가 함께 있는 형태로, 이를 ‘복소수’라고 부른다.복소수는 특별한 점이 하나 있다. 바로 시각화가 가능하다는 점이다. 예를 들어, 우리가 중학교 수학 시간에 x+y=3 같은 방정식을 그래프로 그릴 때, x축과 y축을 기준으로 직선이나 곡선을 표현했던 것을 떠올려보자. 복소수도 마찬가지로 표현할 수 있다. 다만 여기서 축은 우리가 익숙한 ‘x, y’가 아니라, 실수 부분은 가로축, 허수 부분은 세로축에 두는 것이다. 가령 3+4i가 있다고 하면 우리가 알고 있는 좌표 (3, 4) 위의 한 점으로 대응시키는 것이다. 이 공간을 우리는 ‘복소평면(complex plan)’이라고 부른다.이 복소평면에서 복소수는 단순한 좌표가 아니라 벡터로 생각할 수 있다. 즉 방향과 길이를 가진 화살표처럼 이해할 수 있는 것이 또 다른 장점이다. 예를 들어 3+4i는 길이 가 되고, 방향은 실수축과 이루는 각도로 표현할 수 있다.이 구조의 진가는 곱셈이나 나눗셈을 할 때 드러난다.

0 '부재' 1 '존재'…이 사이서 수많은 수학적 사유 시작

오늘은 수학에서 가장 작고 단순한 두 수, 0과 1에 관해 이야기해보려 합니다. 우리가 너무나 익숙하게 사용하는 수인 0과 1은 수학적 사고의 출발이자 끝입니다.먼저 1을 살펴봅시다. 1은 우리가 처음 배우는 수이면서 셈의 출발점입니다. 하나의 사과, 하나의 의자처럼 현실 세계에서 ‘하나’라는 개념은 너무도 자연스럽게 받아들여집니다. 하지만 수학에서 1은 단순히 ‘하나’라는 양을 넘어 기준이 되는 수입니다. 어떤 수에 1을 곱해도 그 수가 그대로 유지되기 때문에, 연산에서도 매우 중요한 역할을 하죠. 수학에서는 이처럼 어떤 수의 본질을 유지시켜주는 역할을 하는 수를 특별히 주목합니다.단위의 정의에서도 1은 중심이 됩니다. 1m, 1초, 1g처럼 우리가 세상을 이해하고 재는 수많은 방식은 이 ‘1’에서 출발합니다. 즉 1은 단지 ‘하나’를 넘어 세상의 구조를 형성하는 기본 단위입니다. 1이라는 수는 어떤 사물의 수량을 셈하는 것뿐 아니라, 어떤 개념의 기준을 세우는 도구로도 작동합니다. 모든 수가 1을 몇 번 더한 것이냐는 방식으로 이해될 수 있다는 점에서, 1은 자연수 체계의 뼈대라고도 할 수 있습니다.그렇다면 0은 어떨까요? 0은 ‘없음’을 뜻하는 수입니다. 하지만 이 ‘없음’은 단순히 비어 있다는 의미를 넘어, 수학적으로는 매우 정교하게 다뤄지는 개념입니다. 고대 바빌로니아에서는 자리 표시용 기호로 비어 있는 공간을 표현했지만, 정수 체계 속에서 ‘없음’을 하나의 수로 인정한 것은 7세기 인도에서였습니다. 분수 개념도 고대 이집트에서 이미 사용했다는 점을 고려하면, 0의 등장은 상대적으로 매우 늦은 시기였죠. 이는 그만

수술 없이 몸 속 결석 분쇄, 타원의 성질 이용했죠

얼마 전 지인이 신장결석으로 고생한다는 이야기를 들었습니다. 신장의 결석을 빼내기 위해 수술을 해야 하느냐고 물었더니, 체외충격파 쇄석술이라는 치료를 하면 수술을 하지 않아도 된다고 했습니다. 그 방법이 신기해 알아보니 이 치료법에 이차곡선 중 타원과 빛의 성질에 관한 수학적 원리가 담겨 있었습니다.이 치료법에는 체외충격파 쇄석기라는 장치가 사용됩니다. 이 장치는 몸속에 생긴 결석을 수술하지 않고 제거할 수 있게 해주는데, 이 장치에서 반사경의 단면 모양은 타원의 일부분입니다.타원은 평면 위의 서로 다른 두 점 F와 F에서의 거리 합이 일정한 점들의 집합이고, 두 점 F와 F′을 타원의 초점이라고 합니다. 결석이 타원의 한 초점에 오도록 맞추고 다른 초점에서 충격파를 발생시키면 반사경에 반사된 충격파가 결석에 모여 신체 조직에 손상을 주지 않으면서 결석을 분쇄합니다. 이에 관한 수학적 원리를 알아봅시다.오른쪽 그림과 같이 두 초점이 F, F인 타원 위의 한 점 P에서 접선 ℓ을 그을 때 접선 ℓ이 두 선분 FP, FP와 각각 이루는 각 θ1과 θ2가 같아짐을 보이면, 초점 F를 출발하여 점 P에서 반사되는 빛은 입사각과 반사각이 같아지므로 초점 F을 지나는 것을 알 수 있습니다.이를 설명하기 위해 초점 F를 접선 ℓ에 대하여 대칭이동한 점을 F이라 하고, 접선 위의 또 다른 점 Q를 잡읍시다. 이때 이고, 두 초점에서 타원 위의 점까지 거리의 합은 항상 일정하므로 입니다. 따라서 … ①이 성립합니다.한편 점 F은 점 F을 접선 ℓ에 대해 대칭이동한 점이므로 이고, 이를 식 ①에 대입하면 입니다. 즉 두 정점 F과 F에서 접선 위의 임의의 점까지 거리의

'상상의 수'로 자연현상 파악의 한계를 보완

π 적극적으로 사용한 오일러, 대중화 이끌었죠

오늘은 수학에서 빼놓을 수 없는 아주 특별한 기호 π(파이)에 관해 이야기해보려 합니다. 우리가 지금은 아무렇지 않게 사용하는 이 기호를, 다시 생각해보면 ‘왜 이렇게 쓰게 되었지?’ 하고 새삼 궁금할 때가 있습니다.π를 처음 배우는 건 초등학교에서지만, 기호로서 π를 배우는 것은 중학교 1학년 때입니다. ‘원의 둘레와 지름의 비율’이라고 간단히 배우지만, 사실 옛날에는 이를 표현하는 방법이 제각각이었습니다. 고대 그리스에서는 따로 기호 없이 “원의 둘레는 지름의 약 22/7배쯤 된다”고 설명했고, 중세 유럽에서는 “proportio circumferentiae ad diametrum”처럼 라틴어 문장으로 길게 표현했습니다. 17세기에는 c(둘레, circumference)와 d(지름, diameter)를 사용해 c/d처럼 직접 분수 형태로 나타내는 방식도 있었지요.이런 혼란을 정리한 사람이 바로 1706년, 영국의 수학자 윌리엄 존스(William Jones)입니다. 그는 라는 책에서 처음으로 π를 원주율을 나타내는 기호로 사용했습니다. 왜 하필 π였을까요? π는 그리스어 ‘periphery(둘레)’의 첫 글자이기 때문입니다. ‘원의 둘레’와 관련된 비율이니, 둘레를 의미하는 단어의 첫 글자를 따온 것이지요.하지만 당시에는 π가 금방 대중화되지 않았습니다. π를 전 세계 수학자에게 널리 퍼뜨린 인물은 바로 수학의 거장 레온하르트 오일러(Leonhard Euler)입니다. 오일러는 특히 자신의 논문과 저술에서 원주율을 간결하고 일관되게 표현하기 위해 π를 적극적으로 사용했습니다. 대표적으로 오일러는 삼각함수와 원주율을 연결 지은 공식, 예를 들어 오일러 공식인 같은 식을 통해 π를 자연스럽게 수학의 중심 개념으로

탄소발자국 계산해 탄소배출량 줄여보세요

4월 11일. 필자의 학교에서는 벚꽃이 만개해 전교생이 벚꽃 완상을 했습니다. 그런데 다음 날 갑자기 눈이 내려 벚꽃 위에 눈이 내려앉았습니다. 봄과 겨울이 뒤섞인 듯한 이상기후입니다.이상기후는 기온이나 강수량 따위가 정상적인 상태를 벗어난 기후를 말합니다. 지구온난화의 영향으로 극지방의 빙하가 녹고, 해수면이 상승하고 있습니다. 더 나아가 극단적 기후변화 때문에 폭염, 가뭄, 홍수 발생이 빈번해졌습니다. 또한 생태계도 영향을 받아 많은 동식물이 멸종위기에 처해 있습니다.기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, 약칭 IPCC)의 보고서에 있는 위의 그래프 ( 미술팀서 작업 필요, 첨부 한글파일 참조 ) 에서 1850년부터 2020년까지의 지구 표면의 온도 변화를 볼 수 있습니다. 최근 몇십 년간은 기온 상승이 가속화되고 있음을 알 수 있습니다. 만약 현재의 추세가 지속된다면 지구의 평균기온은 앞으로도 계속 상승할 것으로 예상됩니다.지구온난화의 주요 원인으로는 인류의 산업활동 등으로 비롯된 온실가스 배출 증가가 지목되고 있습니다. 대기 중 온실가스는 적외선 복사열을 흡수하거나 재방출해 지구 표면과 대기 온도를 높이는 온실효과를 유발합니다. 우리나라의 「기후위기 대응을 위한 탄소 중립·녹색 성장 기본법」에서는 온실가스의 종류를 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFCS), 과불화탄소(PFCS), 육불화황(SF6)으로 정의합니다. 이 중에서 연료를 연소할 때 배출되는 이산화탄소가 전체 온실가스 배출량의 약 77%를 차지하는데, 이는 산업화 이후 화석연료 사용 증가에 따라 대기 중 농도가 급격히 증가한 것으로 보여 기후변화