위대한 수학문제들 (골드바흐 추측에서 질량간극 가설까지, 한 권으로 읽는 최강의 수학난제)

위대한 수학문제들 (골드바흐 추측에서 질량간극 가설까지, 한 권으로 읽는 최강의 수학난제)

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Description
수학사를 뒤흔든 14가지 난제에 대한 친절한 안내서!
위대한 문제란 탐험에 필요한 에너지를 효율적으로 생성하는 도구입니다.......
그 에너지는 결국 광대한 수학적 지형에 대한 우리의 이해를 넓히고 강화하는 강력한 이론으로 모습을 드러냅니다.
-김민형(옥스퍼드대학교 수학과 교수)

지난 4월, 흥미로운 뉴스가 지면을 장식했다. 물리학자인 건국대 조용민 교수가 20세기 세계 수학계 7대 난제 중 하나인 ‘양-밀스 이론과 질량간극 가설’의 해법을 찾았다는 보도였다. 이 가설은 무려 100만 달러의 상금이 걸려 있을 정도로 대표적인 수학계의 난제로 꼽히고 있었는데, 우리나라 학자가 그 해법을 찾았다는 것이다. 수학적인 견해와 물리학적인 견해의 차이, 그리고 ‘풀었다.’라는 말을 쓸 수 있는지에 대한 논쟁이 이어지긴 했지만 이로 인해 현대 수학으로도 해법을 찾지 못한 여러 난제가 있다는 것이 대중들의 이목을 끄는 계기가 되었다.
도대체 얼마나 어려운 문제이기에 ‘난제’라는 표현을 쓰는 것일까? 사실 현대 수학이 아직 해결하지 못한 난제는 제법 많은데, 그중 유명한 것이 바로 ‘세계 7대 난제’로 꼽히는 7가지이다. 이 7대 난제는 지난 2000년 미국의 ‘클레이 수학 연구소(Clay Mathematics Institute, CMI)’에서 선정해 발표한 것으로, P/NP 문제, 호지 추측, 푸앵카레 추측, 리만 가설, 양-밀스 이론과 질량간극 가설, 나비에-스토크스 방정식, 버츠-스위너튼-다이어 추측 등을 말한다. 클레이 수학 연구소에서는 ‘새천년 문제(밀레니엄 난제)’라고도 불리는 이 7대 난제에 각기 100만 달러씩의 상금을 내걸고 학자들의 도전을 기다렸는데, 아직까지 해법이 공식화된 것은 푸앵카레 추측 하나뿐이다.
천재 수학자들조차 풀지 못해 끙끙대는 수학난제들. 하지만 그 풀이 과정을 찾아내는 것이 어려울 뿐이지, 문제 자체는 그다지 어렵지 않은 경우가 많다. 그 대표적인 예로 누구나 한 번쯤은 들어봤을 법한 ‘페르마의 마지막 정리’가 있다. 어떤 의미인지, 어떻게 푸는 것인지는 잘 몰라도 중학생 정도면 이해할 만한 수식이다.
이 책, [위대한 수학문제들]은 바로 이런 수학난제 중 ‘세계 7대 난제’를 포함한 14가지 난제에 대해 풀어낸 책이다. 일반 독자들도 이해할 수 있을 만큼 충실하게 설명하면서도 난제가 가진 의미, 난제의 해결이 가져올 우리의 미래, 또 난제를 풀기 위해 고군분투하는 수학자들의 에피소드까지 놓치지 않고 다루었다.
이는 영국 워릭대학교 수학과 교수인 저자 이언 스튜어트(Ian Stewart)의 필력에 힘입은 바 크다. 그는 ‘최고의 수학 대중화 필자’라는 평가에 걸맞게, 도무지 우리의 삶과는 무관해 보이는 이런 수학난제들이 실제로 우리 삶과 어떻게 연관되어 있는지 흥미롭게 설명하기 때문이다. 서문에서도 ‘공식을 많이 배제하면서도 개념을 설명하는 것을 지침으로 삼았다.’고 밝히고 있다.
또한 세계적인 수학자로 손꼽히는 김민형 교수가 추천사에서 밝힌, ‘위대한 문제란 수학이라는 긴 탐험에 필요한 에너지를 생성해주는 도구’라는 멘트 역시 어렵기만 한 난제에 성큼 다가서게 하는 마중물이 되어준다.
저자

이언스튜어트

수학자이자대중과학저술가.케임브리지대학교에서수학을전공하고워릭대학교에서박사학위를받았다.1995년영국왕립학회로부터대중과학에기여한공로로마이클패러데이상을,2002년미국과학진흥회에서과학대중화공로상을받았다.현재워릭대학교수학과명예교수이자왕립학회특별회원이다.지은책으로《최고의수학자가사랑한문제들》,《교양인을위한수학사강의》,《위대한수학문제들》,《생명의수학》,《세계를바꾼17가지방정식》,《신도주사위놀이를한다》등이있다.

목차

추천사/한국어판서문/서문

01위대한수학문제들
02소수의영토골드바흐추측
03파이의수수께끼원적문제
04지도만들기수수께끼4색정리
05공간가득한대칭케플러추측
06오래된것에대한새로운해법모델추측
07부족한여백페르마의마지막정리
08궤도의카오스3체문제
09소수의패턴리만가설
10구면은어떤모양일까?푸앵카레추측
11그렇게쉬울리가없어P/NP문제
12유동적사고나비에-스토크스방정식
13양자수수께끼질량간극가설
14디오판토스의꿈버치-스위너튼-다이어추측
15복잡한사이클호지추측
16이제어디로가야할까?
17미래를위한12가지문제

용어해설/더읽을거리/주/찾아보기/그림저작권

출판사 서평

고통스럽지만매혹적인,난해하지만흥미로운수학난제로의초대!

수학난제는천재수학자의질문이다.앞서언급한‘푸앵카레추측’은약100년전천재수학자라고불리는푸앵카레가3차원공간에대한연구끝에내놓은이론이다.하지만이를증명하지못해‘추측’이라고불려왔는데,2003년러시아의수학자그리고리페렐만이마침내이를증명해내었다.‘은둔의수학자’라고도불리는그는클레이수학연구소의상금100만달러는물론이고수학계의노벨상격인필즈상수상도거부했고,학자로서의최고영예인러시아과학아카데미정회원자격도거부한독특한괴짜이다.
괴짜같은질문도있다.이름만큼은많은사람들에게친숙한‘페르마의마지막정리’는수학자페르마가디오판토스의[산학]에남긴메모에서시작한다.

"1개의세제곱수를2개의세제곱수로나누는것이나1개의네제곱수를2개의네제곱수로나누는것혹은일반적으로지수가2를초과하는임의의거듭제곱수를같은지수의2개의거듭제곱수로나누는것은불가능하다.이에대한참으로기가막힌증명을발견했지만여백이좁아담을수가없다."

수식으로나타내면로아주간단하다.이간단한수식과천재수학자페르마의메모‘증명을발견했지만여백이좁아담을수가없다.’는내용이수학자들의자존심을건드렸다.그뿐만이아니었다.간단한정리를증명하지못한다는것은기존의수학이론에무언가필수적인것이빠져있다는것을의미했기때문에수학계가술렁였다.수많은수학자들이증명에나섰고마침내1997년앤드루와일스라는영국수학자가증명했다.그는열살때이정리를처음접한후해결해내고야말겠다는결심을했고‘7년간의비밀연구’끝에마흔두살이되어서야증명해냈다.결국해답을찾는데무려350년이나걸린것이다.
자신이알고있는것을불태워버린괴짜천재수학자도있다.소수의규칙성에대한‘리만가설’은현재널리쓰이는암호알고리즘과관련이있다.일각에서는만약리만가설이증명된다면인터넷암호체계가무력화되어전세계의전자상거래가마비될것이라는점에서우려하고있기도하다.리만은자신의가설이정확하다는건증명할수있었지만그것과관련된필수명제(제타함수)를증명할수없었다.고독벽까지가지고있었던그는가설의증거를공개하지않고불태워버렸다.그후150년동안내로라하는수학자들이리만가설을증명하거나반증하려는시도를해왔지만아직까지수학의성배로남아있다.

우리미래를바꾸어놓을,위대한수학문제들

수학의정상은눈앞에다가온듯하면서도정복하기쉽지않다.누군가는새로운가설을내놓고,또다른누군가는그가설을증명해낸다.이가운데수학이발전하고,우리생활도조금씩바뀌어간다.
이언스튜어트는14가지주요수학난제뿐만아니라우리의미래를바꾸어놓을12가지문제도소개한다.브로카문제,홀수완전수,콜라츠추측,오일러상수의무리성,ABC추측,랭턴의개미,외로운경주자추측등이있다.이중에서‘랭턴의개미’는특히흥미롭다.미국의크리스토퍼랭턴은1986년가상의‘랭턴의개미’를만들어시뮬레이션해보았더니개미가일정한패턴을보였다.하지만개미의행동을통제하는것이무엇인지는아직미해결문제로남아있다.랭턴의개미행동에대한비밀을풀게되면집단인간행동의패턴,예를들면10만명의사람이경기장에서어떻게움직일지를예측할수있을것이다.
‘외로운경주자추측’이라는재미있는이름의문제도있다.n명의경주자가원형트랙을서로다른속도로돈다면,모든경주자가어떤시점에서외로워질까?4,5,6,7명인경우에는답을찾았고증명이되었지만8명이상일때에대해서는아직풀지못했다.답을찾게된다면도시교통의흐름을더잘이해하고관리할수있을것이다.

예)제한된공간에공을가장조밀하게쌓는방법이무엇일까?

수학난제는세상에공개될때마다수학자들의마음을심란하게했을수는있지만,궁극적으로수학발전에큰보탬이되었다.
예를들면‘4색정리’라는난제를보자.‘최소한의색깔을사용해구역이구분되게끔지도를색칠하라.’고할때4가지색이면어떠한복잡한지도도색칠할수있다는정리이다.어떻게이렇게쉬운문제가세계적인난제가될수있냐고?이문제가‘난제’가된이유는‘증명’하기어려웠기때문이다.이를실생활에응용해보자.경기를할때일반적으로상대편과다른색깔의유니폼을입는다.만약16개의팀이토너먼트경기를한다면대진표상에서유니폼색깔을상대편과겹치지않도록결정할수있다.4가지색깔의유니폼만있으면충분하다는것이다.
그렇다면‘케플러추측’은어떨까?이는‘제한된공간에공을가장조밀하게쌓는방법이무엇일까?’라는것이다.증명하는데400년이나걸렸지만,답은의외로쉽다.여느과일가게주인이과일을쌓는방법대로차곡차곡쌓으면된다.

수학사를뒤흔든14가지난제들!

■2보다큰모든짝수는두소수의합이다.골드바흐추측
■주어진원과똑같은면적을가진정사각형을작도할수있을까?원적문제
■a,b,c가0이아닌정수이고,n이2보다큰자연수일때an+bn=cn을만족하는자연수a,b,c는존재하지않는다.페르마의마지막정리
■2,3,5,7같은소수는어떤패턴을가지고있을까?리만가설
■모든폐곡선을수축시켜하나의점이된다면그공간의모양은구와같다.푸앵카레추측
■이방정식의3차원해가항상존재하는지를증명할수있는가?나비에-스토크스방정식
■3개의물체가만유인력으로서로끌어당기며운동할때,그궤도는구할수없다.3체문제
■인접한면을각기다른색으로칠할때어떤지도라도4색만으로칠할수있을까?4색정리
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■케플러추측
■모델추측
■P/NP문제
■질량간극가설
■버치-스위너튼-다이어추측
■호지추측