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[강연] 김장수_저글링하는 수학자가 있다고?｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험" | 3강

조합론은 이산적인 대상을 연구하는 수학의 한 분야로, 복잡한 현상을 단순화하여 그 본질을 꿰뚫는 학문입니다. 하나씩 떨어져 있는 대상의 개수를 세거나 그 구조를 분석하는 과정에서 가장 명쾌한 식을 찾아내는 것이 조합론의 묘미라고 할 수 있습니다. 이러한 관점에서 볼 때, 공을 던지고 받는 저글링은 매우 훌륭한 조합론적 연구 대상이 됩니다. 저글링의 움직임은 일정한 시간 간격에 따라 이산적으로 변하기 때문에, 이를 수학적 기호와 수열로 변환하여 분석하는 것이 가능해지며 다른 학문 분야와 연결되는 지점을 발견하게 됩니다. 저글링을 수학적으로 이해하기 위해서는 먼저 공을 던지는 행위를 수치화하는 작업이 필요합니다. 수학자들은 공을 던진 후 다시 손에 떨어지기까지 걸리는 시간을 기준으로 'n-던지기'라는 개념을 도입했습니다. 예를 들어 숫자 0은 공이 없는 상태를, 1은 옆 손으로 바로 건네는 동작을 의미하며, 숫자가 커질수록 공은 더 높이 날아오르게 됩니다. 이렇게 정의된 숫자들은 저글링의 리듬과 높이를 결정하는 핵심 요소가 되며, 복잡해 보이는 저글링 기술들을 하나의 수열로 표현하여 체계적으로 관리할 수 있는 토대를 마련해 줍니다. 저글링 수열을 시각적으로 표현한 것이 바로 저글링 다이어그램입니다. 이는 시간에 따른 공의 궤적을 선으로 연결한 그림으로, 어떤 시점에 공이 들어오고 나가는지를 한눈에 보여주는 도구입니다. 단순 저글링의 핵심 원칙은 매 순간 최대 한 개의 공만을 던지고 받을 수 있다는 점입니다. 만약 다이어그램 상에서 두 개 이상의 공이 같은 시간에 같은 지점으로 떨어진다면, 그것은 물리적으로 구현이 불가능한 수열이 됩니다. 이러한 시각적 모델링은 복잡한 수열이 실제 저글링으로 가능한지 판별하는 중요한 기준이 됩니다. 저글링 수열에는 놀라운 수학적 법칙이 숨어 있는데, 바로 수열에 포함된 숫자들의 평균이 사용되는 공의 개수와 일치한다는 점입니다. 예를 들어 '441'이라는 수열은 숫자들을 모두 더해 개수인 3으로 나누면 평균이 3이 되므로, 세 개의 공으로 수행하는 기술임을 즉각적으로 알 수 있습니다. 이는 단순한 우연이 아니라 저글링의 물리적 구조와 수학적 논리가 완벽하게 결합된 결과입니다. 수학자들은 이러한 관찰을 바탕으로 추측을 세우고, 이를 논리적으로 증명함으로써 저글링이라는 유희 속에 감춰진 질서를 명확히 규명해 냈습니다. 수학자들은 '순환이동'과 '사이트스왑'이라는 두 가지 변환 도구를 사용하여 저글링 수열의 타당성을 증명합니다. 순환이동은 수열의 시작점을 바꾸는 것이고, 사이트스왑은 인접한 숫자를 조절하여 수열을 더 단순한 형태로 변환하는 과정입니다. 이 과정을 반복하면 복잡한 수열을 모든 숫자가 일정한 기본 수열로 바꿀 수 있으며, 이 과정에서 공의 개수와 전체 합이 보존된다는 사실을 이용해 평균 법칙을 증명합니다. 이는 복잡한 문제를 단순화하여 해결 가능한 형태로 바꾸는 수학적 사고의 전형적인 과정을 잘 보여주는 사례입니다. 저글링의 세계는 단순히 공을 하나씩 던지는 것에 그치지 않고 멀티플렉스 저글링이나 협동 저글링으로 무한히 확장됩니다. 한 손으로 여러 개의 공을 동시에 던지거나 여러 사람이 대형을 이루어 공을 주고받는 행위 또한 수학적으로 정교하게 모델링될 수 있습니다. 이러한 연구는 조합론의 지평을 넓히는 동시에, 이전에는 존재하지 않았던 새로운 저글링 패턴을 창조하는 데 기여하기도 합니다. 수학적 탐구를 통해 발견된 새로운 수열들은 저글러들에게 새로운 영감을 주며, 예술적 퍼포먼스와 과학적 이론이 만나는 독특한 지점을 형성합니다. 진정한 수학적 탐구는 정해진 시간 내에 문제를 빠르게 풀어내는 기술이 아니라, 하나의 대상을 깊이 있게 고민하고 본질을 찾아가는 연속적인 과정입니다. 수능 수학과 같은 시험은 빠른 판단력을 요구하지만, 실제 수학 연구는 몇 달 혹은 몇 년에 걸쳐 하나의 난제에 매달리는 끈기를 필요로 합니다. 저글링을 통해 수의 세계를 탐험하는 과정 역시 이와 같습니다. 모르는 대상을 알기 위해 끊임없이 나아가는 탐험 정신이야말로 수학이 우리에게 주는 가장 큰 가치이며, 이를 통해 우리는 일상 속에 숨겨진 아름다운 규칙을 발견하게 됩니다.

김장수

카오스재단카오스크로스

수학

[카오스 짧강] 푸앵카레 추측의 해결

푸앵카레 추측은 지난 100여 년간 수많은 수학자를 괴롭혀온 난제였습니다. 이 문제가 그토록 어려웠던 이유는 '단순 연결되어 있다'는 조건 때문이었는데, 이는 기본군의 원소가 하나뿐이라는 의미입니다. 활용할 수 있는 조건이 너무 적다 보니 연구의 실마리를 찾기가 매우 막막했습니다. 위상수학자들은 이 거대한 장벽 앞에서 어디서부터 시작해야 할지 몰라 오랜 시간 고군분투하며 해결의 실마리를 기다려야만 했습니다. 해결의 실마리는 뜻밖에도 미분기하학 분야에서 나타났습니다. 리처드 해밀턴은 복잡한 3차원 공간을 아름다운 모양으로 변형시키는 '리치 흐름' 방정식을 제시하며 공간의 진화를 설명했습니다. 이는 위상수학자들에게 큰 충격을 주었는데, 전통적인 위상수학 방식이 아닌 미적분을 활용한 접근이었기 때문입니다. 새로운 도구의 등장은 수학계의 패러다임을 바꾸는 계기가 되었으며, 공간을 바라보는 새로운 시각을 제공했습니다. 그리고리 페렐만은 해밀턴의 아이디어를 발전시켜 특이점 문제를 해결하는 독창적인 증명을 내놓았습니다. 그는 정식 학술지가 아닌 아카이브(arXiv)에 자신의 연구 결과를 공개했는데, 당시 학계에서 큰 화제가 되었습니다. 복잡한 예외 상황들을 마치 외과 수술을 하듯 정밀하게 해결해 나가는 그의 방식은 수학계의 공감대를 서서히 형성해 나갔고, 결국 수많은 대가들에 의해 그의 증명이 참임이 입증되었습니다. 페렐만의 업적이 인정받으면서 그는 수학계의 노벨상이라 불리는 필즈상 수상자로 선정되었습니다. 하지만 그는 시상식에 나타나지 않았고, 회장을 통해 수상을 거부한다는 의사를 밝혔습니다. 명예나 보상보다는 수학적 진실을 규명했다는 사실 자체에 더 큰 가치를 두었기 때문입니다. 이후 클레이 수학연구소에서 제시한 100만 달러의 밀레니엄 난제 상금 역시 거절하며, 그는 오직 진리 탐구 자체에만 몰두하는 순수한 수학자의 면모를 보여주었습니다. 그는 이전에도 어려운 문제를 해결하며 일류 수학자로 인정받고 있었습니다. 유럽 수학 연맹의 상을 거절한 전력이 있을 만큼 명예에 초연한 인물이기도 했습니다. 학술 대회에서 준비 없이 빌린 필름에 수식을 적어 내려가던 그의 모습은 전형적인 괴짜 천재의 모습이었지만, 그가 남긴 결과물은 인류 지성사의 거대한 진보였습니다. 세속적인 가치보다 수학적 진실을 사랑했던 그의 삶은 오늘날까지도 많은 이들에게 깊은 울림을 줍니다.