수학아카데미

2012.09.03 08:42

왜 각의 3등분인가.

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각의 3등분 문제를 해결한다고 해 놓고,


가장 뜨거운 염천에,


태풍이 지나가는 위태로운 순간에,


날아가는 방충망을 주워 올려가면서


거의 한 달을 매달린 것 같은데,


나는 왜 3등분에 매달렸을까.




어쨌든 일을 저질렀으니, 수습해야 한다는 생각이 있었을 것이고,  토론하는 과정에서 부수입으로 배우는 것도 쏠쏠하고, 반론을 받는 과정에서 생각이 막히지 않고, 오히려 반론을 받을수록 더 새로운 아이디어가 내 방법을 보강해 주어 재미도 있어서 계속할 수 있었던 것 같다.반면에 내 생각에 몰입되어 반론과 지도를 해 주는 분들의 입장을 살피지 못한 것 때문에 부적절한 상황에 빠지는 경우가 있어서 아쉽게 된 경우도 있었다.



수학을 배우는 입장에서, 난제에 도전하는 것의 의미는 각의 3등분을 해결한다는 테크닉을 내세우는 것에 한정되지 않고, 이 과정에서 부수입으로 우리가 수학적으로 당연한 것으로 생각했던 것에 딴죽을 걸 수 있는 증거를 볼 수도 있다는 점일 것이다.



각의 3등분이라는 것이 2000년 이상의 난제로 남아 있는데, 수학의 기초부분에 대한 의심이 없이 당연히 받아들여지는 수학의 기초를 그대로 인정하고, 이 난제를 해결할 수 있다고 생각하는 것은 오히려 오만일 수도 있다.
이른바 ‘수학의 헌법‘을 그대로 두고, 이 각의 삼등분이 해결될 수 있다면, 왜 그 동안 무수히 많은 천재들이 못 해결했겠느냐고 생각하는 것이 더 설득력이 있을 것이다. 그 동안 이것을 해결한다고 내놓은 많은 아이디어가 결국은 ‘오묘한‘ 아이디어로 끝난 것은 이런 이유 때문일 것이다.



나는 처음부터 수학의 기초부분을 존중하지 않겠다는 복안을 깔고, 이 문제에 접근한 것이 사실이다.
무엇보다 물리학과 수학이 서로 모순되는 점에 착안하여 수학의 기초를 공략할 수 있을 것이다. 우선 우리가 잘 알고 있는 것은 물리학에는 마이너스가 없다는 점이다. 물리학이 마이너스를 인정한다면, 마이너스 절대 온도도 있어야 한다.
두 번째는 아인슈타인이 특수상대성이론을 전개할 때, 강체라는 것이 인정되지 않는 점으로 부터 시공이라는 것이 우리가 직관적으로 생각하는 것과 다름을 설명하는 것을 보았다.
이것을 수론에 적용하면, 직선상에 빈틈없이 연속되어 있다는 실수의 개념이 의심받게 된다.
우리가 좌표계를 구성할 때 사용하는 좌표축으로서, 수직선인 x축과 y축으로 사용하는 수직선이 물리적으로 인정하기 보다는 수학만의 임의적인 개념이라는 것을 알 수 있고, 이 수직선이라는 것을 절대적인 것으로 보는 수론이 의심받을 수 있는 것이다.
아인슈타인의 특수상대성이론이 나온 지 100년이 지났지만, 우리는 물리적으로 특수상대성이론에 모순되는 수론을 의심하는 사람을 본적이 없다. 어느 누구도 수론을 바꾸어야 한다는 생각을 하는 사람을 본 적도 없다. 각을 3등분하는 문제, 이것을 돌파하려면 이 수론을 바꾸는 것을 설득하지 않고는 해결되지 않는다. 당랑거철과 같은 무모한 짓이 필요한 것이다.

이글을 읽는 동안만이라도, 한번쯤 상식으로 받아들이던 수론을 잠깐이라도 의심해 보았으면 좋겠다. 당시에 비상식적이어서 강력한 저항에 부딪혔던 특수상대성이론이 시공간의; 개념을 변화시켰듯이 각의 3등분은 수론에 대한 새로운 계기가 될 것으로 생각한다.

각이 2등분된다는 것은 기존의 수학에서 인정된다.
그런데 물리적으로 보면, 2등분은 의심스럽게 된다.  물리학으로 보면, 2등분된다는 그 포인트는 불확정성 원리에 걸리는 것은 아닌지 의심해 보아야 한다. 물리적으로 보면, 어떤 포인트를 극한으로 분해해 들어가면 그 포인트(입자의 위치의 측정)는 불확정성 원리에 의해서 확정될 수 없다고 한다.


기존 수학으로 보면, 3등분은 불가능하다고 한다.  수직선은 실수로 빽빽하게 채워져서 빈틈이 없는데, 그 빈틈없는 실수 중에서 3등분이 되는 마지막 포인트는 지정하기 곤란하다는 것이다.  그런데 물리적으로 보면, 그 수직선은 강체에 해당된다. 물리학은 강체를 부정한다.

내가 앞에 올린 글 “제논의 역설은 ...”으로 토론하던 중에 엑셀 프로그램이나 매스매티카로 계산 한던 중에 결국 우리는 무한 자리로 연산되는 것은 불가능하고, 연산하는 자리수는 한정이 될 수밖에 없다.
 이것이 물리학의 개념으로 보아도 옳다는 것을 앞에서 보았다.
앞의 글 '제논의 ...'에서 보았듯이,  연산하는 자리수를 제한하면, 3등분하는 점은 반드시 성립한다.



위에서 본 것처럼 현대 물리학은 수학과 서로 엇박자를 내고 있는 것이 많이 있다고 알고 있다.
연속성에 의한 수학의 실수와 같은 개념이 성립하지 않음을 안다.  또 위에서 지적한 것처럼 마이너스가 물리에서는 곤란한 개념이라는 것을 안다.
우리는 이런 수론의 모순을 각을 3등분하는 법과 같은 수학의 난제들을 통해서 드러낼 수 있는 것이다.
각의 3등분은 루트2의 발견과 허수 i의  발견처럼,  수학의 새로운 진보를 이끌어 낼 수 있을까?

학문은 위기로 밀어 넣으므로서 진보하는 것이 아닌가?


  • ?
    이기두 2012.09.03 08:42
    각의 3등분이 가능함을 증명했다고 하려면,
    각이 3등분 불능의 증명과정에서 문제점을 찾아 보라는 제안을 받았습니다.

    아랫글은 "네이버 오늘의 과학"에서 각의 3등분이 불가능함을 이른바, '증명'한 글입니다.
    http://navercast.naver.com/contents.nhn?contents_id=1299

    90도는 cos30도가 √3/2이고, 작도수이기 때문에 작도가 가능하고, 60도는 작도수가 아니기 때문에 불가능하다는 것을 수식으로 증명한다고 합니다.

    직관적으로는 만약에 아랫글처럼, 30도를 3등분했다면, 그 30도를 포함한 직각삼각형의 빗변에 대한 평행선을 그어 30도의 3등분 점에 일치시키면, 대각인 60도의 3등분을 얻게 됩니다. ^ ^

    아랫글에서 cos30=√3/2는 작도수인데, cos60=√3은 왜 작도수가 아닌지 잘 모르겠습니다.
    누가 설명해 주세요.

    30도가 작도수라고 하는 분에게 30도는 작도가 되고, 60도는 작도가 안 되는 방법을 눈금없는자와 컴퍼스만으로 증명해 보라고 한다면,
    그 분들이 하실 수 있을까요? ^ ^

    아랫글에서 "이미 작도한 30°를 이등분해서 15°, 7.5°, 3.75°, …등을 얻을 수 있기 때문이다. 따라서 삼등분할 수 있는 각은 무한히 많다.
    이미 작도한 30°를 이등분해서 15°, 7.5°, 3.75°, …등을 얻을 수 있기 때문이다. 따라서 삼등분할 수 있는 각은 무한히 많다. ....." 라고 합니다.

    반론하자면,---"무수히 많은 작도가능한 각을 이용해서 무수히 많은 작도불가능한 각을 작도할 수 있다."라고 할 수 있을 것입니다. ^ ^

    요컨데, 아래의 방법처럼, 어떤 각은 작도가 가능하고, 어떤 각은 3등분작도가 불가능하다고 하는 방법은 오히려 '각도기를 사용한다'는 지적을 받을 수 있을 것입니다.

    작도의 규칙을 따르자면, 제가 한 것처럼 특정하지 않은 일반각에 대하여 작도가 가능한지 아닌지 논의하는 것이 옳지 않을까 생각합니다.


    =================================================================

    이하 "네이버 오늘의 과학"에서 인용

    삼대작도문제 (2) 주어진 각의 삼등분각을 작도하는 일은 불가능하다


    주어진 각을 눈금 없는 자와 컴퍼스로 항상 이등분할 수 있다는 것은 이미 알 것이다. 삼등분각은 어떨까? 예를 들어 A=90°를 삼등분하라는 것은 30°를 작도할 수 있느냐는 문제다. 따라서 cos(30°)가 작도수냐는 것과 동일한 문제다. 그런데 cos(30°)= √3/2은 작도수임을 알고 있다. 따라서 90°는 삼등분할 수 있다는 결론이 나온다. 90°만 삼등분할 수 있을까? 90°를 계속 이등분해서 얻는 각인 45°, 22.5°, 11.25°,…등도 모두 삼등분할 수 있다! 이미 작도한 30°를 이등분해서 15°, 7.5°, 3.75°, …등을 얻을 수 있기 때문이다. 따라서 삼등분할 수 있는 각은 무한히 많다.



    그렇다면 60°는 삼등분할 수 있을까? 그러려면 cos(20°)가 작도수인지 알아야 한다. 일반적으로 x=cos(A/3)는 3차 방정식 4x3-3x-cos(A)=0의 근인데, 예를 들어 삼각 함수의 덧셈 정리를 쓰면 금세 증명할 수 있다. 따라서 cos(20°)는 3차식 8x3-6x-1=0의 근이다. 이 3차식은 유리계수 1차식과 2차식의 곱으로 인수분해할 수 없으므로, 60°는 ‘눈금 없는 자와 컴퍼스만으로는’ 삼등분할 수 없다! 즉 20°와 40°는 작도할 수 없는 각이며, 따라서 정9각형도 작도할 수 없다.
  • ?
    이기두 2012.09.03 08:42
    위 증명을 읽는데, 착오가 있었네요.
    30도가 작도 가능하다를 30도가 3등분 작도 가능하다로 잘못 읽었습니다.

    제 방법으로는 30도가 3 등분 작도가 가능한 것으로 보입니다만,


    제 생각의 초점은 현대물리학과 고전물리학이 시공을 보는 관점에서,
    차이가 나고,
    물리학과 수학 사이에 궤리가 있다는 점입니다.
  • ?
    이기두 2012.09.03 08:42
    "제논의 역리...."에서 보았던 것처럼, 12등분 이하는 등분이 가능했고, 검토한 바에 의하면, 13 이상의 소수 17, 51, 71, 117 등의 등분은 불가능했습니다.

    제가 보인 방법도 수리적으로 본 것입니다.
    제 방법은 오히려 삼각함수같은 변용이 없는 일반적인 것입니다.

    제가 쓴 방법은 매쓰매티카가 n 자리까지 연산한다고 할 때, n자리까지 4등분해서 얻는 등분수가 몇 개인지 계산하고, 그 등분수를 등분가능여부를 알고자 하는 수로 나누면, 등분가능여부를 알게 되는 아이디어입니다.
    이렇게 하여 일반각에 대해서 모든 정수에 대하여 등분여부를 계산으로 알 수 있게 됩니다.
    이것은 사실 간단하고, 명확한 방법입니다.

    n이 무한이어도 같은 결과일 것이니까, 결국 이것이 등분의 가능여부를 판단하는 가장 간단하고, 정확한 증명인 것입니다.

    무한까지 계산한 결과가 엑셀과 매스매티카에서 제가 계산한 결과가 다를 수 없고 계산의 자릿수만 달라집니다.
    더 높은 정도를 원하면, 매스매티카처럼 자릿수를 더 늘리면 되고,
    높은 정도가 필요없으면, 엑셀처럼 굳이 많은 자릿수를 연산하게 할 필요가 없는 것입니다.
    "제논의 역리는 ...."에서 본 것처럼, 단지 30.000000000....이 되기 직전의 29.999......999999000000.....에서 9의 자릿수가 더 늘어나는 것 뿐입니다.

    이것이 수의 본성이기 때문입니다.
    각의 3 등분의 검토과정에서 우리가 수의 본성을 구체적으로 본 것입니다.
    수에 대한 진보를 이루기 위해서는 아직 좀더 갈 길이 더 있기는 하지만,
  • ?
    이기두 2012.09.03 08:42
    어쨌든, 위의 증명에서 사용하는 작도수 개념은 오히려 문제가 있어 보입니다.

    작도수 개념은 오히려 작도의 원칙에 어긋난다는 것입니다.
    작도에서 금지한 각도기와 자의 눈금을 사용했다는 비판에서 벗어나지 못 할 것입니다.
    작도의 원칙을 엄밀히 따르면, 어느 각에서 3 등분이 된다면, 모든 각도가 3등분이 되는 것이지, 어느 각도는 3 등분이 되고 어느 각도는 3등분이 되지 않는 결과는 나올 수 없는 것입니다.
    작도에서는 어떤 각이라는 특정이 불가능하기 때문입니다.
    이런 결과는 삼각함수를 사용한 것이 원인인 것입니다.
    위의 증명에서 사용한 cos값은 각도가 정수라도 cos값은 무리수가 대부분입니다.
    수식에 적용하기도 전에, 정수인 각도를 무리수 비율의 삼각함수로 바꾸어서 수식에 적용하는 것부터 옳은 방법이 아닐 것입니다.
    또한 3등분의 작도는 호의 길이를 3등분하는 것인데, 같은 각을 공유하는 호의 길이의 변화와 삼각함수인 선분들의 비율의 변화 사이에 어떤(선형적) 비례 관계가 성립하는 것도 아닙니다.
    삼각함수 자체가 각의 본성을 나타내는 것이 아니고, 수식으로 계산하여 각도와 관련된 비율을 어림값으로 계산하는 기술적 변용일 뿐입니다.

    이것이 앞의 증명의 명백한 한계입니다.

    앞의 '증명'의 수식을 검토하기 전에
    삼각함수를 사용한 '증명'은 증명방식부터 옳은 것이 아니라는 것이 제 반론입니다.
  • ?
    이기두 2012.09.03 08:42
    더 이상 댓글이 없기를 바란다고 하셨지만, 위의 글에 오해가 있는 부분은 밝혀야 할 것 같습니다.

    위의 댓글 (2)와 (3)에서,
    그런데,

    정수각 또는 유리수각이라고 할 수 있는 30도, 45도에서 삼각함수에서는 무리수의 비례가 되니, 이 점에서 호의 길이와 삼각함수의 사이에 선형적인 비례관계가 없다는 것 등이고, 각의 3등분에 삼각함수를 사용하여 작도의 불가능을 증명하는 '증명'이 증명으로 부적절하다는 것과 '무리수가 없다'와는 다른 이야기 입니다.
    방첼의 증명이 부적절한 방법으로 이루어졌다는
    이 반론에 이의가 있는지.

    (4)에서, "√3 을 작도 하실 수 없으면, "에 대해서는,
    제가 "√3 의 작도를 제시해 달라고 한 것은,
    제 논리는 √3과 같은 무리수가 작도를 못한다는 뜻이 아니고, 방첼의 '증명'에서 작도로 90도를 3등분하는 방법은 제시하지 않고, 수식만으로, 작도수 개념으로 30도는 작도가능하다고 주장한 것을 비판한 것입니다.

    90도를 30도로 3등분하는 작도의 올바른 방법이 있다면, 그 방법은 60도의 3등분에도 똑같이 적용될 것이라는 것입니다.
    위에서 말한 것처럼 작도의 원칙을 따른다면, 특정각이라는 것이 불가능하니까요.
    이 반론에 이의가 있는지.

    여타의 비판에 대해서는 진심어린 충고도 고맙고, 받아드립니다.
    논의의 중심에서는 벗어난 말들에 대해서 재론은 하지 않겠습니다.
    다만 이 두가지 오해에 대해서는 수리적인 답변만 바랍니다.
  • ?
    이기두 2012.09.03 08:42
    슈레딩거의 고양이의 다른 버전,
    슈레딩거가 고양이를 상자에 넣을 때, 고양이가 양과 음의 파동중첩이라는 것을 간과했다. 상자속에서 고양이는 숫고양이와 암고양이로 분화했고, 그리고 암고양이는 새끼를 낳았다.

    숫고양이는 가족을 지키기 위해 청산카리를 스스로 마시고 장렬히 죽었고, 암고양이와 새로 태어난 새끼고양이는 살아 있는 채로 관찰되었다.

    슈레딩거의 고양이는 죽었는가, 살았는가?

    -----------------------------------------------------------------------------------

    이종필 박사님의 책, '물리학 클래식'을 읽는 동안 현대 물리학으로 넘어오는 초기부터 최근까지 여러 번 무한의 문제에 부딪쳤던 것을 보았다.
    (플랑크의 흑체복사해석, 진동수가 증가한다고 에너지가 무한히 증가하지 않는다. 246쪽,
    질량은 무한하지 않다-- 천체가 질량한계를 벗어나면, 슈퍼노바 붕괴--- 중성자성, 블랙홀 생성.
    아인슈타인 특수 상대성이론, 속도는 무한하지 않다.
    와인버그의 경입자 모형의 재규격화,309-310쪽)

    고전물리학에서 예상한 불합리한 무한값이 상대성이론과 양자역학으로 극복되면서 실체에 다가가고 있는 것을 보았다.
    반복되지만, 물리학은 마이너스와 무한을 허용하지 않는다.
    수학이 가지고 있는 이 환상을 제거하는 것이 현대수학에 주어진 과제일 것이다.
    우리가 현대물리학의 세계를 어렵게 느끼는 것은 아마도 실체를 나타낼 수 있는 적절한 좌표계와 수론을 가지고 있지 못하기 때문일 수도 있다.

    동양의 불교사상이 현대물리학과 모순이 없고, 현대물리학이 내놓은 결론들을 많은 부분 수용하고 있으면서도, 현대인이 어렵게 느껴지는 것은 2천 5백여 년 전, 불교가 탄생하고, 발전하던 당시에 현대와 같은 다양한 물리적 언어와 현대적 수론이 없었기 때문일 것이다.

    우리가 물리학을 더 한 발짝 진보시키고, 모두에게 쉽게 현대 물리를 이해시키기 위해서는 힐베르트의 방법을 발전시킨 수와 물리가 잘 조화되는 좌표계와 현대적인 수론이 필요할 것이라고 생각한다.

    ...

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