수학 물리 놀이하기 1

수학 물리 놀이하기 1

$22.00
Description
코로나-19로 인해 비대면 원격수업의 요청이 생기고 비슷한 시기에 창의적인 수학· 정보역량을 갖춘 인재를 육성하고자 하는 필요가 생기면서 많은 수학 교사들이 접하는 수학의 작도 및 코딩툴을 익혔습니다. 하지만 통상 학교 현장에서 통상 사용되는 애플리케이션은 제가 학부 시절 익힌 여러 가지 물리나 사회현상을 설명하는 비선형 미분방정식의 해를 자유롭게 해결하기에는 충분하지 않았습니다. 이 때 제게 매스매티카는 나의 요구사항을 잘들어줄 수 있을까 고민하였고 도전을 해보기로 마음을 먹었습니다. 제가 계산 기능을 갖추고 있는 매스매티카에 대해 처음 들어본 것은 대학교 학부 시절이므로 20년이 이제는 넘었습니다. 그리고 매스매티카(13.1버전)를 직접 접하고 책을 사서 탐독하면서 코드를 익힌 것은 이제 갓 1년이 조금 넘었습니다. 처음에는 이장훈 선생님이 편찬하신 두꺼운 메뉴얼을 펴놓고 무작정 순서대로 읽어나가면서 PC를 통해 매스매티카 코딩을 입력하며 느리지만 한 걸음씩 익혀나갔습니다. 궁금한 것이 생기면 다한테크 황지원 부장의 고마운 도움을 받기도 하였습니다. 매스매티카 실력자 분들의 다양한 작품이 수록된 Wolfram Demonstrations Project 를 처음 접하고 부족한 내 실력을 비교하면서 절망하기도 하였습니다. 하지만 이장훈 선생님의 책에 수록된 코드작품과 친절한 설명을 하나하나 분석하고 파헤쳐 가며 코드를 단계적으로 익히고 마침내 간단한 여러 가지 코드를 짤 수 있게 되었습니다. 매스매티카의 문법이 한국의 중고등학교 수업 현장에서 자주 사용되는 여타 애플리케이션에 비해 어렵다는 것이 사실입니다. 하지만 매스매티 카의 문법은 명료하기 때문에 일단 익히고 나면 정말 놀라울 정도로 다양한 함수를 애매함이 없이 깔끔하게 만드는 것이 가능하다는 것과 이상적분이나 무한급수의 합 및 무한곱에서 파이나 자연상수 등이 포함된 값을 명확히 출력하는 계산 기능을 고려하면 매스매티카는 충분히가 아니라 상당히 매력적인 툴입니다. 또한 매스매티카에서 내장하고 있는 여러 가지 특수함수를 보며 매스매티카는 대학이나 연구소에서만 사용하는 것이 아닌 학문 탐구를 즐기는 성향을 가진 고등학생과 중고등학교 교사들 또한 학습하고 연구할 때 사용하기에는 안성맞춤이라는 것을 느끼게 되었습 니다. 매스매티카를 익히면서 처음에는 비선형 미분방정식으로 나타내어지는 물리 현상의 해에 대해 그래프를 그리고 시간에 따른 추이를 동영상으로 시연하는 것에 집중하였지만 차츰 랜덤 추출기능을 활용한 통계분석에서 시작하여 최근 인공지능 수학에서 주로 다루는 경사하강법을 이용한 최소다항식 문제에 이르기까지 다양한 주제에 관심을 가지게 되어 관련 수학적 내용을 담고 코드를 참조하거나 본인이 직접 코드를 작성하여 이 책을 펴냈습니다. 이 책은 크게는 점화식풀기, 방정식풀기, 미분방정식풀기, 다양한 물리수학코드, 다양한 함수기능 소개로 이뤄져 있습니 다.
1권과 2권을 굳이 차례대로 읽을 필요없이 눈길이 가는 주제부터 읽고 모르는 함수기능이 있다면 함수기능 소개 부분을 병행하여 읽고 참조하면 되도록 책을 구성하였습니다. 그리고 이론을 소개하면서 그래픽을 추가하기도 했는데 일부는 알지오매스 툴로 제작하였습니다. 매스매티카 프로그램은 Wolfram미국 본사의 공식 한국 대리점인 ㈜ 다한테크를 통해 구매할 수 있습니다. 공자가 말하기를 〈아는 자는 좋아하는 자만 못하고 좋아하는 자는 즐기는 자만 못하다〉 에 대해 들어보신 분이 많을 것입니다. 이 책을 통해 학구적 성향을 가진 독자들이 매스매티카 코딩으로 수학과 물리 놀이를 즐기면서 자신의 탐구 역량을 키워나갈 수 있길 바랍니다.
저자

박준현

성균관대물리학과학사졸업,수학과복수전공(2006.2.)
충북대학교수학교육과학사졸업(2011.2.)
성균관대졸업학점:4.45/4.5(2006년봄,가을물리학과,수학과졸업생중1등)
제4차KBS이공계육성장학생(2006.2.)-2006.2.졸업당시성균관대자연과학캠퍼스이공계학사/석사/박사재학생중가장우수한학생(미래성,학점)으로선발됨.
제27회전국대학생수학경시대회장려상(2008)
제28회전국대학생수학경시대회장려상(2009)
제29회전국대학생수학경시대회금상(2010)
경상남도교육청과학영재교육원강사재직중(2021.3.~현재)

목차

Ⅰ.점화식
1.점화식의이론적해법
가.선형동차점화식
나.비동차점화식
2.매스메티카로점화식풀기
가.점화식정의하기,점화식테이블로나타내기
(1)점화식을정의하고해를테이블(리스트)로나타내기
(2)점화식의해를표를통해나타내기
나.점화식풀기(독립변수1,종속변수1)
(1)점화식의특성방정식이하나의근을가질때
(2)선형동차점화식의특성방정식이서로다른두실근을가질때
(3)선형동차점화식의특성방정식이중근을가질때
(4)선형비동차점화식의특성방정식이서로다른두근을가질때
다.종속변수가둘이상인연립선형동차점화식풀기
(1)연립선형동차점화식의풀이방법
(2)매스메티카로문제풀기
(가)연립점화식의해를구하고표로나타내기
(나)연립점화식의해를연속적인그래프로나타내기
(다)연립점화식의해의순서쌍들을점으로추이표현하기
라.피보나치수열과유사피보나치수열의분석
(1)피보나치수열
(2)루카스수열

Ⅱ.방정식
1.매스메티카로방정식풀기
가.간단한방정식풀기
나.변수가두개인연립방정식풀기
다.부정방정식
(1)부정방정식의해를있는대로나타내기
(2)한문자를다른문자에대한식으로표현하기
라.방정식의근사해찾아내기
2.초월함수방정식의근사해찾아내기
가.뉴턴의방법을활용한근사해찾기
나.근사해의정확도판별하기
3.두쌍의점을지나는직선의교점구하기
4.포락선구하기
가.포물선종이접기(포락선)
(1)이론적분석
(2)코딩통해포락선계산하기
나.쌍곡선스트링아트(포락선)
(1)이론적분석
(2)코딩통해포락선계산하기
다.타원종이접기(포락선)
(1)이론적분석
(2)코딩통해포락선계산하기
라.포물선종이접기(포락선)
(1)이론적분석
(2)코딩통해포락선계산하기
마.길이가인사다리의미끄러짐(포락선)
(1)이론적분석
(2)코딩통해포락선계산하기

Ⅲ.매스메티카로다양한프로그램만들기
1.직선위의두물체의충돌동영상
2.타원당구장
가.타원당구장코딩에필요한수학
나.타원당구장의코드
(1)코드파헤치기1(Sol)
(2)코드파헤치기2(Ellips함수)
(3)코드파헤치기3(Ellipsn함수)
(4)포락선의관찰과증명
(가)입사광선이두초점의바깥쪽에서출발하는경우
(나)입사광선이두초점사이에서출발하는경우
3.코흐프랙탈
4.이진트리프랙탈
5.시에르핀스키삼각형
6.카오스게임
7.수학적확률과통계적확률
가.순열을활용한줄세우기의확률
나.중복순열을활용한윷던지기의확률
다.교란의확률로부터자연상수예측하기
(1)교란에대한수학적확률과자연상수
(2)교란의통계적확률과자연상수추정
(3)교란의통계적확률과자연상수의근삿값표로나타내기
라.몬테카를로방법을활용한도형의넓이
8.최소제곱법
가.최소제곱법의이론
나.최소제곱법을활용한최적해
(1)네점을지나는최적인직선
(2)네점을지나는최적인포물선
다.Fit함수를활용한최적해
라.FindFit함수를활용한최적해
9.보간다항식
가.라그랑지보간다항식
나.뉴턴보간다항식
(1)차분상의성질
(가)의차분상
(나)의차분상
(다)의차분상
(2)보간다항식의오차
(3)재귀함수코딩을활용한보간다항식찾기
(4)Interpolation함수를활용한보간다항식찾기
(가)세점에대한이차함수보간
(나)여러점에대한보간
(다)소수(prime)에대한데이터를보간
10.룬지-쿠타방법
가.룬지-쿠타방법의이론
(1)차룬지-쿠타방법
(2)차룬지-쿠타방법
(가)차룬지-쿠타방법
(나)차룬지-쿠타방법의유도
(3)차룬지-쿠타방법
(가)차룬지-쿠타방법
(나)매스메티카를이용한매개변수구하기
(다)차룬지-쿠타방법의유도
(4)차룬지-쿠타방법
(가)차룬지-쿠타방법
(나)매스메티카를이용한매개변수구하기
나.룬지-쿠타방법을활용한근삿값계산
11.푸리에급수
가.함수의주기에따른푸리에급수
(1)주기가인함수
(2)주기가인함수
나.푸리에급수에서자주등장하는특수함수
(1)박스함수
(2)계단함수
(3)삼각형함수
(4)부호함수
(5)주기함수1
(6)주기함수2
다.매스메티카로푸리에급수표현하기
(1)주기가인우함수
(2)주기가인함수
(3)주기가인기함수
12.푸리에변환
가.푸리에변환의이론
나.푸리에변환테이블
다.함수의푸리에변환찾기
라.디랙델타함수의예시와코딩
13.감마함수
가.감마함수의이론
나.감마함수의값계산하기
다.감마함수의그래프
14.경사하강법
가.미분가능한함수의최솟값찾기
(1)알고리즘
(2)함수의최솟값을리스트로나타내기
(3)함수의최솟값을표와화살표를사용하여나타내기
나.최소제곱직선찾기
(1)알고리즘
(2)최소제곱직선을리스트로나타내기
(3)최소제곱직선을표와화살표를사용하여찾기

Ⅳ.매스메티카의여러함수기능익히기
1.좌표계변환
가.스칼라변환
나.방정식변환
다.벡터변환
2.레벨집합
3.부등식의영역
가.부등식의영역그리기
나.부등식을만족하는양함수그래프그리기
다.부등식을만족하는레벨집합그리기
4.반복문
가.Do
나.For
다.While
라.Until
5.점들을이어서다각선혹은화살표로나타내기
가.리스트의점들을다각선으로잇기
(1)리스트별로구분하여다각선으로잇기
(2)리스트의구분을해제하고다각선으로잇기
나.리스트의점들을화살표로잇기
(1)리스트별로구분하여화살표로잇기
(2)리스트의구분을해제하고화살표로잇기
6.텍스트(Text)의표현
7.함수와변수의축약표현
가.함수의표현
나.반복합성함수의계산
8.함수의매핑(mapping)
가.다중리스트에대한매핑
나.축약표현#,&를활용한매핑
다.다중도형의매핑
라.매핑을활용한도형그리기
9.무작위생성과무작위선택
가.무작위수생성
나.무작위수선택
다.오름차순및내림차순배열
라.순열과조합
마.중복순열
10.조건부여하기
가.조건함수정의하기
나.조건원소세기