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정삼각형을 잘라서 정사각형을 만들 수 있을까요? 아래 그림과 같이 정삼각형을 4개 조각으로 잘라서 조립하면 가능합니다.

 

정삼각형을 다각형으로 확장하면 어떨까요? 평면에 넓이는 같지만 모양은 다른 두 다각형이 있을때 하나를 잘라서 다른 다각형으로 만들 수 있냐는 겁니다. 이 질문의 답은 놀랍게도 ‘예’입니다. 1807년 영국 수학자 윌리엄 월레스가 이 사실을 증명했지요. 월레스가 이미 정답을 알았다는 사실을 몰랐던 파울 게르빈과 퍼르커시 보여이도 각각 1833년과 1835년에 서로 다른 방법으로 문제를 풀었습니다. 그래서 현재 이 문제를 ‘월레스-보여이-게르빈 정리’라고 부릅니다.

 

 

1900년 프랑스 파리에서 열린 세계수학자대회에서 독일 수학자 다비트 힐베르트는 이 정리를 확장한 문제를 20세기에 꼭 풀어야 할 23문제 중 하나로 발표했습니다.

 

 

힐베르트 3번 문제
부피가 같은 두 다면체가 있을 때, 다면체 하나를

유한 조각으로 잘라 다른 다면체로 항상 조립할 수 있을까?

 

 

힐베르트는 문제가 어렵다고 생각해서 23문제 중 하나로 골랐겠지만, 당시 힐베르트의 제자였던 막스 덴이 곧바로 문제를 풀었습니다. 덴은 다면체를 자르고 조립하는 과정에서 변하지 않는 도형의 성질에 ‘덴 불변량’이라는 이름을 붙이고 이 값을 살펴봤습니다. 그리고 이 값이 다른 다면체가 있다는 것을 보여 문제의 답이 ‘아니오’라는걸 밝혔지요.

 

이때까지는 도형을 잘라서 붙일 때 각 조각의 경계면에 있는 점은 크게 신경을 쓰지 않았습니다. 예를 들어 사각형을 반으로 잘라 두 조각으로 만들면 경계면에 있던 점은 왼쪽 조각에도 있고 오른쪽 조각에도 있다고 볼 수 있지요. 이런 두 조각을 붙이면 경계면에 있던 두 점은 한 점이 돼버립니다. 만약 이점까지 고려해 점이 한쪽 조각으로 간다고 정해도 앞서 살펴봤던 결과와 같을까요?

 

 

문제를 좀 더 편하게 풀기 위해 집합 용어를 사용합시다. 다각형을 점의 집합으로 생각하면, 다각형의 분할은 점을 유한개의 집합으로 나누는게 됩니다. 각 점을 평행이동하고 회전이동하면서 다각형을 조립하게 되지요. 이처럼 점을 여러 집합으로 나누고 대칭이동해서 넓이가 같은 다른 모양의 다각형을 만들 수 있을까요?

 

끊임없이 만들어지는 공, 바나흐-타르스키 역설


1924년 폴란드 수학자 알프레트 타르스키는 점까지 까다롭게 분할해도 월레스-보여이-게르빈 정리가 성립한다고 밝혔습니다. 타르스키는 같은 해 폴란드 수학자 스테판 바나흐와 함께 구에 관해 다음과 같은 재밌는 문제를 풀었습니다.

 

 

바나흐-타르스키 역설
3차원에서 공 1개를 집합 5개로 잘 분할한 다음,
잘 조립하면 처음 공과 같은 크기의 공 2개로
만들 수 있다.

 

 

공 1개로 크기가 같은 공 2개를 만들 수 있다니 이상하지요? 그런데 이게 수학적으로 사실이라니 놀랍기만 합니다. 사실 이 역설대로 공(구)을 분할하려고 하면 각 집합은 부피가 정의되지 않는 이상한 형태의 조각이 됩니다. 즉 우리가 상상하는 그런 조각이 아니라 매우 이상한 점의 집합이 돼서 조각을 새로 조립하면 원래 부피의 2개가 됩니다.

 

 

쉽사리 상상이 가질 않지요? 도형의 조각이 이 처럼 이상한 점의 집합이어도 된다면 우리의 상식을 벗어난 신기한 현상이 일어납니다. 필자도 대학생 시절 바나흐-타르스키 역설을 처음 배울 때 혼란스러웠던 기억이 아직도 생생합니다.

 

원을 쪼개 정사각형으로 만들기


그런데 2차원에서는 바나흐-타르스키 역설과 같은 일이 벌어지지 않습니다. 1923년 바나흐가 원을 아무리 많은 조각으로 쪼갰다가 합쳐도 조각의 수가 유한개라면 넓이가 변하지 않는다는 것을 보였지요. 그렇다면 원을 쪼개 넓이가 같은 정사각형을 만들 수 있을까요?

 

 

타르스키 문제
평면에서 속이 꽉 찬 원을 유한개로 분할한 다음
조립해 원래의 원과 같은 넓이의 속이 꽉 찬
정사각형을 만들 수 있을까?

 

 

원은 테두리가 구부러져 있으니 아무리 잘 잘라도 정사각형을 만들 수 없을 것 같습니다. 이 상식이 맞기라도 한 듯 1963년 세 명의 미국 수학자 레스터 두빈스, 모리스 허쉬, 윌리엄 카루쉬는 원을 가위로 잘라서는 어떻게 자르고 조립해도 정사각형을 만들 수 없다는 것을 증명했습니다.

 

하지만 1990년 헝가리의 수학자 미클로시 러츠코비치는 상식을 깬 답을 찾았습니다. 타르스키 문제에 대한 답이 ‘예’라는 것을 증명한 겁니다. 러츠코비치는 속이 꽉 찬 원을 1040개의 점의 집합으로 잘 나누면 각 집합을 잘 평행이동한 뒤 모아서 넓이가 같은 정사각형을 만들 수 있다고 밝혔지요. 다만 이때 각 조각은 바나흐-타르스키 역설에서처럼 넓이가 정의되지 않는 이상한 형태입니다. 넓이를 알 수 있는 조각으로 원을 나눠 정사각형을 만들 수는 없을까요?

 

2017년 3월, 이 질문에 대한 답이 수학계 최고 학술지 중 하나인 수학연보에 실렸습니다. 영국 랭카스터대학교의 루카스츠 그라보브슈키 박사, 언드라시 마테 영국 워릭대학교 교수, 올레크 피크후르코 워릭대 교수는 원을 유한개 집합으로 잘 분할하면 넓이도 정의되고, 각 집합을 평행이동만 해서 정사각형을 만들 수 있다는 걸 증명했습니다. 하지만 이 증명에서 생기는 집합의 수는 러츠코비치의 1040보다 좀 더 많습니다.

 

정말로 1040개 이상의 집합으로 나눠야 할까요? 좀 더 좋은 증명을 통해 더 작은 수로 나눌 수는 없을까요? 집합이 얼마나 필요한지 참 궁금합니다.

 

※ 엄상일 교수는 KAIST 수학과를 졸업하고, 미국 프린스턴대학교에서 박사 학위를 받았습니다. 현재는 KAIST에서 강의와 연구를 하고 있습니다. 그래프이론과 이산수학, 조합적 최적화가 주요 연구 분야입니다. 2012년에는 젊은과학자상(대통령상)을 수상했고, 2017년에는 한국차세대과학기술한림원 회원으로 선정됐습니다.

 

 

2018년 03호 수학동아 정보

  • 엄상일(KAIST 수리과학과 교수)
  • 진행

    조가현 기자(gahyun@donga.com)
  • 기타

    [일러스트] 오승만
  • 참고자료

    루카스츠 그라보브슈키, 언드라시 마테, 올레크 피크후르코 ‘수학연보 : Measurable circle squaring’, 울프람 매스월드 ‘Haberdasher's Problem’, 알렉산더 보고몰리 ‘Cut The Knot : Wallace-Bolyai-Gerwien Theorem’, 마이클 스티븐스 ‘유튜브 채널 브이소스 : The Banach-Tarski Paradox’

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