■ 전 세계 수학자가 극찬한 수학 공식 중 가장 아름다운 신의 방정식!
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수학 교과서에서는 ‘오일러의 공식’이라고 불리지만 어떤 이들은 이 공식에서 발견되는 가장 매력적이고 놀라운 수학적 진실을 부르기에는 너무 흔한 이름이라고 여겨 이것을 ‘신의 방정식’이라고 부른다. 1750년 이 사실을 발견한 오일러는 다음과 같은 말을 했다고 한다.
“이것은 창조주의 언어이다.”
그런데 방정식을 살펴보면 지수에 복소수가 있다. 이것이 왜 아름다울까? 진짜 아름다움은 아무나 쉽게 느낄 수 없다.
오일러는 지수를 ...
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■ 전 세계 수학자가 극찬한 수학 공식 중 가장 아름다운 신의 방정식!
eiπ + 1 = 0
수학 교과서에서는 ‘오일러의 공식’이라고 불리지만 어떤 이들은 이 공식에서 발견되는 가장 매력적이고 놀라운 수학적 진실을 부르기에는 너무 흔한 이름이라고 여겨 이것을 ‘신의 방정식’이라고 부른다. 1750년 이 사실을 발견한 오일러는 다음과 같은 말을 했다고 한다.
“이것은 창조주의 언어이다.”
그런데 방정식을 살펴보면 지수에 복소수가 있다. 이것이 왜 아름다울까? 진짜 아름다움은 아무나 쉽게 느낄 수 없다.
오일러는 지수를 복소수까지 넓히고 있는데, 이는 어쩌면 기적에 가까운 공식이라 부를 수도 있겟다. 양수의 거듭제곱이 음수(-1)가 될 수 있다는 것을 살펴보자. 실수 세계에서 양수를 거듭제곱하면 항상 양수가 된다. 그런데 e를 ?π번 곱하면(eiπ) -1이 나온다. 오일러 공식을 통해서 지수에 허수가 들어가면 양수의 거듭제곱도 음수가 된다는 사실이 밝혀진 것이다. 어찌 기적이 아닐 수 있겠는가! 더욱이 그 속에는 수학 자체를 표현하는 아름다움이 느껴질 뿐만 아니라 그 이전까지는 느낄 수 없었던 수학의 새로운 맛을 우리에게 선사해 준다.
때문에 세계적인 수학자들도 오일러 공식을 극찬하였다.
리처드 파인먼Richard Phillips Feynman은 오일러 공식을 보고 “우리의 보석!”이라는 감탄사를 연발하였고, 스탠포드대학의 수학자 키스 데블린Keith Devlin도 “오일러의 방정식은 흡사 사랑의 정수를 포착한 셰익스피어의 소네트나 인간 육체의 아름다움을 표면적 차원 이상으로 표현한 회화 작품같이 존재의 가장 근원적인 곳을 파헤치고 있다.”라고 말하며 오일러 상수에 혀를 내둘렀다.
폰 린데만Carl Louis Ferdinand von Lindemann도 오일러 공식을 대입하여 π가 초월수라는 것을 증명함으로써 수천 년 동안 수학의 난제로 꼽혔던 문제를 해결하기도 했다.
■ 오일러의 생애
오일러는 18세기에 가장 영향력 있는 천재 수학자였다. 그는 이론 수학자로서 대수학, 기하학, 미적분학, 정수론 분야에 상당히 의미 있는 많은 업적을 남겼으며, 응용수학자와 과학자로서 역학, 천문학, 광학, 조선학 분야에서도 중요한 발견을 이루어 냈다. 오일러는 병균에 의한 눈 질환을 앓게 되었고, 2년 후에는 오른쪽 눈의 시력을 완전히 잃었다고 알려져 있다. 이 무렵 오일러의 초상화가 대부분 왼쪽 옆모습으로 그려진 것은 이런 속사정이 숨어 있었기 때문이다.
그러나 이런 신체적 결함 역시 그의 긍정적인 삶의 자세를 한 치도 흐트려 놓을 수는 없었다. 예전과 다름없이 왕성한 연구를 계속한 오일러는 다면체라고 부르는 구조에 대한 ‘모서리+2’ 공식을 발견했는데, 다면체는 삼각형, 사각형, 육각형과 같은 다각형의 면을 갖는 상자, 피라미드, 혹은 축구공 같은 물체를 말한다. 모서리 개수를 최초로 발견한 것은 데카르트Ren? Descartes였지만, 데카르트는 자신이 발견한 것에 대해 증명하지 못했다. 이것을 100여 년이 흐른 뒤에 오일러가 증명해 낸다. 이처럼 규칙을 완벽하게 만족하는 수학의 아름다움을 증명한 것이 바로 오일러이다. 삼각함수의 기호 sin, cos, tan 등을 비롯하여 자연 대수의 근에 쓰이는 e, 허수의 기호 i도 처음으로 오일러가 사용한 기호이다.
오일러는 마지막 17년을 앞이 안 보이는 채로 살았음에도 그의 능력은 어느 때보다도 눈부신 빛을 발하였다. “한 눈으로 보니 모든 현상이 또렷이 보인다.”라고 했던 그는 양 눈의 시력을 다 잃고 난 후에 “이제야 양쪽이 같아져서 덜 혼란스럽다.”라고 했다.
시력을 잃은 상황에서도 그의 연구는 조금도 늦춰지지 않았고, 조수들의 도움으로 자신의 전체 업적 중 절반 이상을 작업했다. 그는 복잡한 계산들을 암산으로 해결한 후, 조수들이 받아 적도록 하는 방식으로 연구를 진행하였다. 오일러는 모든 계산을 암산으로 척척 해낼 만큼 암기력에서는 타의 추종을 불허하였다. 종이 수십 장에 적힌 숫자들을 하나도 틀리지 않고 정확히 기억했으며, 여든 살이 넘었어도 막히거나 실수하는 법이 없이 단어 하나 틀리지 않고 통째로 책을 암송했다고 한다.
1883년 9월 7일 오후 오일러는 가족들과 차를 마시면 담소를 나누고 소파에 앉아 손자와 장난스럽게 놀면서 부인에게 두 번째 차를 부탁한 뒤 갑자기 피고 있던 파이프 담배를 던지고 일어서더니 “나는 죽어 가고 있다.”라고 외친 뒤 조용히 눈을 감았다. 너무나 인간적이고 너무나 긍정적인 그는 수학으로 세상을 보는 눈을 우리에게 준 셈이다.
오일러의 생애 외에도 이 책에는 수많은 유명 과학자, 수학자 들이 언급된다. 그들이 오일러에게 보냈던 찬사와 비유, 그들과 오일러과의 에피소드 등을 살펴보는 것도 색다른 즐거움이 될 수 있을 것이다.
■ 짚고 넘어가야 할 수학 서적
요즘 서점에 가 보면 초ㆍ중학생 눈높이에 맞춘 수학 관련 책을 많이 볼 수 있다. 한동안 과학 관련 책이 쏟아져 나오더니 그 바통을 수학 서적이 이어받는 모양새이다. 대부분은 수학자와 역사 속 에피소드, 만화 등을 동원하여 수학 개념을 쉽게 풀이하는 내용이다. 오일러에 관한 책들을 살펴보면 먼저 출판사 자음과모음에서 각각 60권과 100권까지 펴낼 계획인 ‘천재들이 만든 수학 퍼즐’과 ‘수학자가 들려주는 수학 이야기’ 시리즈가 눈에 띈다. 둘 다 피타고라스, 오일러, 피보나치 등 수학자가 직접 학생 눈높이에 맞춰 수학 개념을 쉽게 들려주는 형식이다.
비슷한 형식으로 일출봉 출판사의 ‘가르쳐주세요!’ 시리즈도 있다. 과학과 수학 전반을 포함하는데 한붓그리기, 도형, 백분율, 사칙연산 등 수학 서적이 상당수이다. 이 밖에 ‘수학 뇌를 만드는 수학 퍼즐’ 시리즈(사이언스북스), ‘이야기 수학 퍼즐 아하!’(사계절), ‘꼬물꼬물 수학 이야기’(뜨인돌어린이) 등이 있다. 예전의 수학 서적이 수학과 관련한 역사적 이야기를 들려주는 쪽이었다면, 요즘은 수학적 사고력을 키워 실제 수학 실력을 높여 주려는 목적을 가지고 있다. 실제 수학 교과 과정과 어떻게 연결되는지를 앞부분에 적어 놓는 경우도 많다. 이 때문에 수학 개념이 실생활에서 어떻게 도출되었는지를 익히고, 이를 토대로 깊이 있는 부분까지 들어가는 수학 교재가 필요하다. 내년부터 단계적으로 적용될 8차 교육과정에서는 수학 과목의 목표로 ‘수학적 의사소통 능력 향상’이 추가되었다. 따라서 학생들에게 수학을 말로 설명하고 논리적으로 설득하는 능력이 요구될 전망이므로 ‘기원과 맥락’을 아는 수학 교육이 중요하다고 수학자들은 강조하고 있다. 다만 책을 고르는 데 주의할 점이 있다. 연령대별로 수학적 이해력에 차이가 있기 때문에 본인의 학년보다 훨씬 나중에 배우게 될 수학 개념을 다룬 책을 미리 보는 것은 도움이 안 된다. 만화와 이야기 형식으로 쉽게 풀어져 있다고 해도 마찬가지이다. 오히려 아이가 “쉬워 보이는 책인데 이해가 안 간다.”라는 생각에 겁에 질릴 수도 있다.
여하튼 이 책을 통해서 많은 수학자들과 수학을 처음 접하는 이들에게 공감이 되었으면 한다.
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