수학

구의 부피를 어떻게 구할까?

중학교 1학년에서는 다음과 같이 구의 부피와 겉넓이를 구하는 방법을 배워요. 반지름이 $r$인 구에 대해 그것의 부피는 $\frac{4}{3}\pi r^3$이며, 겉넓이는 $4\pi r^2$이다. 교과서에서는 이것에 대한 수학적 증명 대신 물을 이용해 실험적으로 부피를 구하여 이것이 공식의 값과 매우 근사함을 보여요. 하지만 이런 증명은 전혀 수학적이지 않지요. 이번에는 중학교 수준에서 구의 부피와 겉넓이를 구하는 방법을 알아볼 거예요. 핵심 아이디어. 카발리에리의 원리 두 평행선 $l$과 $m$이 있고 두 꼭짓점은 $l$ 위에, 다른 한 꼭짓점은 $m$ 위에 있는 삼각형 $\triangle \mathrm{ABC}$를 생각해봐요. 이제 직선 $l$, $m$은 가만히 두고 $\mathrm{A}$를 움직여봐..

교란순열(완전순열)

문제 예지반은 매주 저번 주에 배운 내용을 테스트하는 시험을 본다. 시험을 본 후 10명의 학생들은 각자 시험지를 채점하는데, 채점자는 누구여도 좋으나 스스로의 시험지는 채점할 수 없다. 이때 시험지를 채점자에게 나누어주는 경우의 수는 몇 가지일까? 문제 이해 $n$명의 사람들에게 작성된 $n$개의 편지를 무작위로 나누어줬을 때 누구도 자신에게 작성된 편지를 받지 못하는 경우의 수를 교란 순열(또는 완전 순열)이라고 해요. 가령 $n=3$인 경우 다음과 같이 2가지 경우가 있어요. 편지 A B C 받은 사람 b c a 편지 A B C 받은 사람 c a b 이런 개념 자체는 중학교 2학년에도 나오지만 이때는 $n$이 커봐야 3에서 4 정도로 직접 그 경우의 수를 세도 무리가 없을 정도로 계산량이 크지 않아..

중복조합

중복조합이란 중복을 허용해서 조합하는 것이다. 일반적인 조합(${}_n\mathrm{C}_r$)은 중복을 허용하지 않는다. 가령 A, B, C 중 2개를 고를 때 AB나 BC만 가능하여 AA를 고를 수는 없다. 하지만 중복조합은 이미 고른 것을 또 고르는 것이 가능하다. A, B, C를 중복조합으로 조합하면 다음과 같이 여섯 가지 경우가 있다. AA, AB, AC, BB, BC, CC 중복조합은 다음과 같이 표기한다. $n$개중 $r$개를 중복을 허용하여 뽑는 경우의 수는 ${}_n\mathrm{H}_r$이다. 중복조합은 조합으로 바꾸어 계산하며 바꾸는 방법은 다음과 같다. ${}_n\mathrm{H}_r={}_{n+r-1}\mathrm{C}_r$ 이것이 성립하는 이유는 다음과 같다. 가령 4개의 공을 ..

정지 문제: 모든 프로그램을 만들 수 있을까?

컴퓨터에게 일을 시키기 위해 컴퓨터가 해야 할 일을 매우 논리적으로 정리한 것을 프로그램이라고 한다. 컴퓨터는 프로그램을 읽고, 프로그램대로 작업을 실행한 후 프로그램에 따라 결과를 보여준다. 컴퓨터 덕에 우리는 이전에 상상도 못 할 정도의 일을 순식간에 처리할 수 있게 되었다. 하지만 우리는 컴퓨터로 모든 문제를 풀 수 있는가? 우리는 무엇이든 원하는 모든 것을 프로그램으로 작성하여 컴퓨터에게 시킬 수 있는가? 이번 글에서 컴퓨터가 풀 수 없는 문제. 정지 문제에 대해 다루고자 한다. 정지 문제 주어진 프로그램이 해결하고자 하는 문제를 해결할 수 있는지 판별하는 프로그램을 만들 수 있는가? 프로그램은 하나의 함수로 생각할 수 있다. 예를 들어 하나의 정수를 입력으로 받아 제곱을 하는 프로그램은 다음 함..

카탈란수의 활용

이전 글 이전 글에서 카탈란 수는 적당한 대응을 통해 많은 문제를 푸는 데 사용할 수 있다고 하였다. 그 문제들의 목록은 다음과 같다. 경로의 수 문제 다각형 나누기 문제 이진트리 문제 괄호 열고 닫기 문제 입출력 문제 한 요소가 다른 요소보다 항상 크게 유지하는 문제 이 글에서는 각 문제를 카탈란 수에 대응시키는 방법에 대해 알아보겠다. 1. 경로의 수 문제 이 문제는 이전 글에서 다루었으니 넘어가겠다. 설명 2. 한 요소가 다른 요소보다 항상 크게 유지하는 문제 같은 개수의 X와 Y를 활용해 만드는 단어 중 단어의 처음에서 X와 Y의 개수를 셌을 때 항상 X의 개수가 Y의 개수 이상인 단어의 개수를 구하여라. 이 문제는 경로의 수 문제로 대응하여 카탈란 수로 대응할 수 있다. 길이가 $2n$인 단어를..

카탈란 수의 점화식

다음 글 이 글의 마지막 부분에서 카탈란 수는 (0, 0)에서 (n, n)까지 $y=x$ 그래프보다 위에 있는 점을 통과하지 않고, 격자점만을 지나며 이동하는 경우의 수라고 하였다. 카탈란 수는 다음 일반항으로 정의되는 수열이다. $C_n=\frac{1}{n+1}{}_{2n}\mathrm{C}_n$ 이 일반항이 어떻게 유도되었는지는 이전 글을 찾아보기 바란다. 이번에는 이 수열의 성질을 응용하는데 초점을 맞출 것이다. 카탈란 수는 다음 점화식을 가지고 있다. $C_{n+1}$$=\displaystyle\sum_{i+j=n}C_i C_j$$=C_0C_n+C_1C_{n-1}$$+\cdots $$+C_{n-1}C_1+C_nC_0$ 이는 카탈란 수가 경로의 수 문제와 대응됨을 생각하면 어렵지 않게 설명할 수 있..

물체의 충돌로 원주율 근사하기

원주율은 지름과 원주가 이루는 비로 그 값은 대략 다음과 같다. $\pi$=3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078164062862089986280348253421170679 원주율은 무리수이기 때문에 정확한 값을 구할 수는 없고 그 값을 근사해서 사용하는 것이 일반적이다. 근사에는 바젤 문제, 라이프니츠 공식 등 수학적인 방법으로 원주율을 유도하는 방법을 사용한다. 그런데 물리학을 이용해서 물체의 충돌로 원주율을 근사하는 방법이 있다. 질량이 1kg인 물체 A를 준비하고 한쪽에는 벽을, 다른 한쪽에는 질량이 $100^{n}$인 물체 B를 가져다 놓는다. 그리고 물체 B를 A쪽으로 운동시켜 벽과 두 물체가 완전탄성충돌하게..

제1, 2 코사인정리

직각삼각형에서는 다음이 성립한다. $a^2+b^2=c^2$ 피타고라스의 정리로 알려진 이 정리는 직각삼각형에서 직각을 끼고 있는 두 변의 길이를 알면 반대쪽 빗면의 길이를 알 수 있게 해 준다. 그런데 직각 말고 임의의 각에 대해 성립하는 공식이 있다. 이번 글에서는 제1, 2 코사인 법칙에 대해 알아보자. 제1 코사인 법칙 삼각형 $\triangle \mathrm{ABC}$와 각 꼭짓점의 대변의 길이가 $a,\;b,\;c$이다. 이때 다음이 성립한다 $a=b\cos C+c\cos B$ $b=a\cos C+c\cos A$ $c=a\cos B+b\cos A$ 증명 $a=b\cos C+c\cos B$ 하나만 증명하면 나머지는 돌려서 같은 방법으로 증명되니 이 경우 한 가지만 증명해보자. 점 A에서 변 a 쪽..