수학 개념 지도
미적분(Calculus)

뉴턴 방법(Newton's method)

곡선을 접선⁠(tangent line)⁠으로 바꿔 그 접선의 0점으로 건너뛰기를 되풀이해 근을 찾는다. 복소평면⁠(complex plane)⁠에서 돌리면 확대해도 끝없이 복잡한 경계(프랙털⁠, fractal⁠)가 나온다.

xk+1=xk−f(xk)f′(xk)x_{k+1} = x_k - \frac{f(x_k)}{f'(x_k)}
먼저 보면 좋은 개념국소 선형성

곡선의 0점을 바로 찾기는 어렵지만, 직선의 0점은 쉽습니다. 그래서 국소 선형성⁠(local linearity)⁠을 이용합니다. 곡선을 지금 위치의 접선으로 바꾸고, 접선이 x축과 만나는 곳으로 건너뜁니다. 출발점을 끌고, 그림 아래 단추로 반복을 한 번씩 진행해 보세요.

노란 점에서 접선(청록)을 따라 x축으로, 다시 곡선으로. 근 근처에서는 한 번에 맞는 자릿수가 약 두 배로 늘어납니다.

근에 가까워지면 오차가 매번 제곱에 비례해 줄어듭니다(0.01 → 0.0001 → 0.00000001 정도). 그래서 맞는 자릿수가 대략 두 배씩 늘어납니다. 여기에는 조건이 있습니다. f가 매끄럽고 근에서 f′≠0f' \ne 0이어야 합니다. x2=0x^2 = 0처럼 근에서 접선이 수평인 중근⁠(multiple root)⁠이면 오차가 매번 절반으로만 줄어듭니다. 이분법⁠(bisection method)⁠보다 훨씬 빠르지만, 출발점이 나빠 접선이 거의 수평이면 엉뚱한 곳으로 튀고, 두 점 사이를 오가며 맴돌 수도 있습니다.

1669년 무렵 뉴턴이 다항식⁠(polynomial)⁠의 근을 구하며 쓴 방법을 1690년 영국의 조지프 랩슨이 더 간단한 반복 꼴로 발표해서, '뉴턴–랩슨 방법⁠(Newton–Raphson method)⁠'이라고도 부릅니다. 도함수⁠(derivative function)⁠로 적은 위의 식처럼 일반 함수⁠(function)⁠에 쓰는 형태는 1740년 토머스 심프슨이 내놓았습니다. x2=2x^2 = 2에 적용하면 1 → 3/2 → 17/12 → 577/408이 나오는데, 이 분수들은 √2의 연분수⁠(continued fraction)⁠ 근사 중 일부입니다.

같은 반복을 복소평면에서 z3=1z^3 = 1에 돌려 봅시다. 근은 세 개의 1의 세제곱근, 곧 z3−1z^3 - 1의 영점⁠(zero)⁠입니다. 각 출발점을 결국 도착하는 근의 색으로 칠하면 아래 그림이 됩니다.

GPU가 픽셀마다 뉴턴 반복을 24번 돌려 도착한 근으로 색칠합니다. 세 영역의 경계에서는 세 색이 끝없이 뒤섞입니다.

경계 어디를 확대해도 세 색이 모두 만납니다. 두 색만 맞닿은 경계선은 한 군데도 없습니다. 이렇게 어디를 확대해도 복잡한 구조가 계속 나타나는 도형을 흔히 프랙털이라 하고, 칸토어 집합⁠(Cantor set)⁠이 단순한 예입니다. 단순한 반복 규칙에서 프랙털이 나오는 또 다른 예가 망델브로 집합⁠(Mandelbrot set)⁠입니다. 이런 그림은 도메인 컬러링⁠(domain coloring)⁠에 반복을 더해 그립니다.

최솟값을 찾을 때는 도함수의 0점에 뉴턴 방법을 쓰면 됩니다. 그러려면 도함수를 한 번 더 미분⁠(differentiation)⁠한 이계 도함수⁠(second derivative)⁠, 곧 곡선이 휘는 정도까지 계산해야 합니다. 변수가 n개이면 이계 도함수는 n×n개의 수로 된 표가 되어, 변수가 수백만 개인 신경망⁠(neural network)⁠에서는 너무 비쌉니다. 그래서 신경망 학습에는 주로 기울기⁠(slope)⁠만 보고 내리막으로 조금씩 걷는 경사 하강법⁠(gradient descent)⁠을 씁니다. 한 걸음에 드는 계산이 훨씬 적기 때문입니다. 실제로는 기울기마저 자료 전체 대신 무작위로 뽑은 일부로 어림하는 확률적 경사 하강법⁠(stochastic gradient descent)⁠이 쓰입니다.

뉴턴 방법은 규칙 g(x)=x−f(x)/f′(x)g(x) = x - f(x)/f'(x)를 되풀이하는 반복입니다. 근 r에서는 f(r)=0f(r) = 0이라 g(r)=rg(r) = r입니다. 이렇게 규칙을 적용해도 제자리인 점을 고정점⁠(fixed point)⁠이라 합니다. 고정점에서 g의 기울기의 절댓값⁠(absolute value)⁠이 1보다 작으면, 그 근처에서 출발한 반복은 고정점으로 끌려갑니다. 한 걸음마다 고정점까지의 거리에 그 기울기가 (거의) 곱해지기 때문입니다. 1보다 크면 반대로 밀려납니다. 뉴턴 방법에서는 근에서 f′≠0f' \ne 0이면 g의 기울기가 0이라 특히 빨리 끌려갑니다. 같은 조건이 로지스틱 사상⁠(logistic map)⁠의 거미줄 그림⁠(cobweb plot)⁠에서도 똑같이 보입니다.

이 개념이 나오는 긴 글

미분에서 회전까지 · 1편 · 미분 순간의 속도 속도계는 '지금 이 순간'의 속도를 보여 준다. 순간에는 시간이 흐르지 않는데, 무엇을 재는 걸까? 최소제곱과 선형대수 잃어버린 소행성 1801년, 발견 몇 주 만에 태양 뒤로 사라진 세레스. 스물네 살의 가우스는 흩어진 관측값에서 궤도를 되찾았다. 혼돈 나비의 날갯짓 방정식이 정해져 있으면 미래도 정해질까? 소수점 아래 몇 자리를 버린 계산이 날씨 예보의 한계를 드러냈다. 신경망과 기계 학습 배우는 기계 예를 보여 주면 규칙을 스스로 찾는 기계. 1958년의 퍼셉트론에서 오늘의 심층 신경망까지, 그 밑바닥에는 미분과 연쇄법칙이 있다. 불가능성 정리 불가능의 증명 각의 삼등분, 5차방정식의 근의 공식, 모든 파일을 줄이는 압축, 멈춤을 판정하는 프로그램, 공정한 투표 규칙. 없다는 것은 어떻게 증명할까? 서로 먼 분야의 불가능성 증명들은 거의 모두 불변량, 세기, 대각선이라는 세 가지 무기 가운데 하나를 쓴다.

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