수학 개념 지도
정수론(Number theory)

진법(Positional notation)

자리마다 밑 b의 거듭제곱을 곱해 수를 쓰는 방법. 같은 수를 2진법, 10진법, 16진법으로 다르게 적을 수 있다.

n=∑idi bi,0≤di<bn = \sum_i d_i\, b^i, \qquad 0 \le d_i < b

"2024"는 사실 2⋅103+0⋅102+2⋅10+42\cdot 10^3 + 0\cdot 10^2 + 2\cdot 10 + 4의 줄임말입니다. 10 대신 2 이상의 다른 자연수⁠(natural number)⁠ bb를 밑으로 써도 되고, 그때 각 자리에는 0부터 b−1b-1까지의 숫자가 들어갑니다. n=n = 을 b=b = 진법으로 쓰면 입니다.

막대는 각 자리의 숫자 d_i입니다. 아래 적힌 것이 그 자리의 무게 bⁱ입니다.

각 자리는 bb로 나눈 나머지⁠(remainder)⁠를 되풀이해 얻습니다. 맨 끝자리가 n mod bn \bmod b이고, 몫을 다시 나누면 다음 자리가 나옵니다(모듈러 연산⁠, modular arithmetic⁠). 2진법에서 자리 하나는 "있다/없다"의 선택입니다. 그래서 앞자리 0을 허용한 kk자리 2진수(0부터 2k−12^k - 1까지)는 kk개짜리 집합⁠(set)⁠의 부분집합⁠(subset)⁠과 정확히 일대일로 대응합니다.

소수점 아래도 같습니다. 0과 1 사이의 분수 pq\tfrac{p}{q}를 bb진법으로 쓰는 일은 구간 [0,1][0, 1]을 bb칸으로 나눠 어느 칸에 있는지 적고, 그 칸을 다시 bb칸으로 나누는 일의 반복입니다. p=p = , q=q = 이면 입니다.

각 줄은 위 줄에서 고른 칸을 확대한 것입니다. 칠해진 칸의 번호가 그 자리의 숫자입니다.

한 자리를 구할 때마다 나머지에 bb를 곱해 qq로 나눕니다. 나머지는 0부터 q−1q-1까지 qq가지뿐이니 언젠가 앞서 나온 나머지가 다시 나오고, 그 뒤로는 같은 자릿수가 되풀이됩니다. 그래서 유리수⁠(rational number)⁠의 전개는 끝나거나(나머지가 0이 될 때) 순환합니다. 거꾸로 끝나지도 순환하지도 않는 전개는 무리수⁠(irrational number)⁠입니다.

흔히 0.999…0.999\ldots는 1보다 아주 조금 작다고 생각하지만, 둘은 같은 수입니다. 무한소수는 등비급수⁠(geometric series)⁠ ∑k≥19/10k\sum_{k \ge 1} 9/10^k의 합, 곧 부분합⁠(partial sum)⁠이 다가가는 값을 뜻하고, 그 값이 정확히 1입니다.

0과 1 사이에서 3진 전개를 숫자 1 없이 쓸 수 있는 수들의 모임이 칸토어 집합⁠(Cantor set)⁠이고(1/3=0.13=0.0222…31/3 = 0.1_3 = 0.0222\ldots_3처럼 한쪽 표기만 그래도 됩니다), 무한한 2진 전개들을 나열할 수 없다는 것이 대각선 논법⁠(diagonal argument)⁠입니다.

0과 1 사이의 수를 두 배 하고 정수⁠(integer)⁠ 부분을 버리는 규칙(0.3 → 0.6 → 0.2 → 0.4 → …)은 2진 전개의 자릿수를 한 칸씩 왼쪽으로 밀어냅니다. 그래서 처음 수를 2진법으로 kk자리까지만 알면 kk번 뒤에는 값에 대해 아무것도 모르게 됩니다. 처음의 작은 오차가 걸음마다 두 배로 불어나는 것, 이것이 혼돈⁠(chaos)⁠의 가장 단순한 모습입니다. 같은 규칙을 되풀이할 때 값이 어떻게 움직이는지 연구하는 분야를 동역학계⁠(dynamical system)⁠라 합니다.

2진수를 한 자리씩 읽으면서 3으로 나눈 나머지만 기억하면, 그 수가 3의 배수⁠(multiple)⁠인지 알 수 있습니다. 상태가 셋뿐인 유한 오토마톤⁠(finite automaton)⁠입니다. 2진수에 1을 더하는 일은 튜링 기계⁠(Turing machine)⁠의 첫 번째 예제로 자주 쓰입니다.

매번 바뀌는 끝자리와 드물게 바뀌는 앞자리를 함께 읽어 수를 정한다는 생각은 트랜스포머⁠(transformer)⁠의 사인파⁠(sinusoid)⁠ 위치 인코딩⁠(positional encoding)⁠과 닮았습니다. 거기서는 자릿값 대신 진동수⁠(frequency)⁠가 등비수열⁠(geometric progression)⁠로 줄어드는 사인파들이 토큰⁠(token)⁠의 위치를 나타냅니다.

수를 서로 비교하지 않고 끝자리부터 한 자리씩 0–9 칸에 나눠 담기를 되풀이하는 기수 정렬⁠(radix sort)⁠은 자릿수가 정해져 있으면 수의 개수 nn에 비례하는 시간에 끝납니다. 두 수를 비교해 순서를 정하는 정렬 알고리즘⁠(sorting algorithm)⁠은 최악의 경우 nlog⁡nn \log n에 비례하는 비교를 피할 수 없는데, 기수 정렬은 비교를 하지 않아 이 한계를 비켜 갑니다.

이 개념이 나오는 큰 생각자기 참조와 대각선표현 바꾸기

이 개념이 나오는 긴 글

정수론과 암호 나머지로 지키는 비밀 한 번도 만난 적 없는 두 사람이 모두가 엿듣는 통신망에서 비밀 열쇠를 맞출 수 있을까? 답은 시계의 산수와 1640년 페르마의 정리에 있다. 집합론 무한에도 크기가 있다 자연수와 짝수는 어느 쪽이 많을까? 칸토어는 무한을 세는 법을 찾았고, 무한이 하나가 아님을 보였다. 삼각함수 원에서 파동으로 별의 위치를 재던 현의 표가 사인이 되고, 열의 흐름을 풀던 푸리에가 모든 파동을 사인으로 쪼갰다. 혼돈 나비의 날갯짓 방정식이 정해져 있으면 미래도 정해질까? 소수점 아래 몇 자리를 버린 계산이 날씨 예보의 한계를 드러냈다. 계산 이론 기계가 풀 수 없는 문제 모든 수학 문제를 기계적으로 풀 수 있을까? 러셀의 역설에서 괴델과 튜링까지, 그 질문에 대한 답은 '아니오'였고, 그 증명이 컴퓨터를 낳았다. 계산언어학 말을 세는 기계 문법은 규칙일까, 확률일까? 파니니의 문법에서 촘스키의 위계, 섀넌의 영어 엔트로피, 오늘날의 언어 모델까지. 조합론 세지 않고 세기 시의 운율을 세던 인도의 운율학자부터 오일러의 생성함수까지. 하나하나 늘어놓지 않고 경우의 수를 세는 법은 어떻게 자라났을까? 알고리즘과 복잡도 줄 세우기의 한계 카드 천 장을 가장 빨리 줄 세우는 방법은? 인구조사의 천공 카드에서 퀵정렬까지, 그리고 어떤 방법도 넘을 수 없는 n log n의 벽. 정보 이론과 압축 짧게 보내기 모스 부호는 왜 E를 점 하나로 보낼까? 섀넌의 엔트로피가 정한 압축의 한계와, 허프만 부호에서 JPEG까지 그 한계에 다가간 방법들. 게임과 증명 이기는 쪽이 존재한다 "이 판은 백이 이겼다"는 흑이 어떻게 두든 백에게 답이 있다는 말이다. 체스의 체르멜로 정리, ε–δ, 님의 이진법, 폰 노이만의 최소최대와 쌍대성, 논리의 한계를 재는 게임, 끝나지 않는 게임과 선택공리, 대화로 읽는 증명, 겨루며 배우는 신경망까지. 수학의 참을 두 사람의 게임으로 읽는다.

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