나뭇잎 교과서

대우와 귀류법

"\(n^2\)이 짝수이면 \(n\)은 짝수이다"를 곧바로 증명하려 하면 막힙니다. \(n^2\)에서 \(n\)으로 거슬러 가는 길이 없기 때문입니다. 이 절에서는 대우로 바꾸어 증명하는 방법과, 결론을 부정하면 모순이 생긴다는 것을 보여 증명하는 귀류법을 익힙니다.

먼저 알면 좋은 것 명제와 대우나머지와 배수
본문

대우와 귀류법

본문

\(\sqrt{2}\)가 분수로 나타낼 수 없는 수라는 것을 어떻게 보일까? 분수를 하나씩 대입해 보는 방법으로는 끝이 없다. '그런 분수는 없다'처럼 없다는 것을 증명할 때는 어디서부터 출발해야 할까?

그림 1. 분모를 키우면 \(\left(\tfrac{p}{q}\right)^2\)이 2에 얼마든지 가까워지지만, 정확히 2가 되는 분수는 나오지 않는다.
먼저 알아야 할 것명제와 대우(역과 대우), 짝수와 홀수, 기약분수, 중학교의 유리수와 무리수.

2.7.1대우를 이용한 증명

명제 '자연수 \(n\)에 대하여 \(n^2\)이 짝수이면 \(n\)은 짝수이다'를 직접 증명하려 하면 막힌다. \(n^2 = 2k\)에서 \(n\)에 대해 무엇을 말할지 마땅치 않기 때문이다. 그런데 대우 '\(n\)이 홀수이면 \(n^2\)은 홀수이다'는 쉽다. \(n = 2k - 1\)이면 \(n^2 = 2(2k^2 - 2k) + 1\)이므로 홀수이다.

명제와 대우는 참, 거짓이 같으므로 대우가 참이면 원래 명제도 참이다. 이렇게 대우를 증명해서 원래 명제를 증명하는 방법을 대우를 이용한 증명법이라 한다. 결론의 부정에서 출발하면 손에 쥔 정보가 더 구체적일 때 이 방법이 쓸모 있다.

2.7.2귀류법

처음 질문처럼 '어떤 것이 없다'를 보일 때는 다른 길을 쓴다. 일단 그런 것이 있다고 가정하고 논리를 따라가다 모순에 부딪히면, 가정이 틀렸다고 결론 내리는 것이다. 이 방법을 귀류법이라 한다.

방법 2.7.1 귀류법

명제의 결론을 부정했다고 가정한다. 이 가정과 이미 참으로 알려진 사실에서 모순이 생김을 보인다. 그러면 결론을 부정한 가정이 틀렸으므로 원래 결론이 참이다.

\(\sqrt{2}\)가 유리수라고 가정하자. 그러면 서로소인 두 자연수 \(p\), \(q\)로 \(\sqrt{2} = \dfrac{p}{q}\)라 쓸 수 있다. 양변을 제곱하면 \(p^2 = 2q^2\)이므로 \(p^2\)은 짝수이고, 1에서 증명한 명제에 따라 \(p\)도 짝수이다.

\(p = 2m\)으로 두고 대입하면 \(4m^2 = 2q^2\), 곧 \(q^2 = 2m^2\)이다. 그러면 같은 이유로 \(q\)도 짝수이다. 그런데 \(p\)와 \(q\)가 모두 짝수이면 2라는 공약수가 있어서 서로소라는 가정과 어긋난다. 따라서 처음 가정이 틀렸고, \(\sqrt{2}\)는 유리수가 아니다.

√2 = p/q(서로소) 가정 p² = 2q²p는 짝수 q² = 2m²q도 짝수 모순서로소가 아니다 따라서 가정이 거짓, √2는 무리수
그림 2. 귀류법은 결론을 부정한 가정에서 출발해 모순에 이르면 가정을 버린다.

그림 1에서 분모를 키우며 확인해 보자. \(\tfrac{17}{12}\), \(\tfrac{41}{29}\)처럼 제곱이 2에 아주 가까운 분수는 계속 나오지만, 정확히 2가 되지는 않는다.1 그림은 짐작을 줄 뿐이고, 모든 분수에 대해 확실히 말해 주는 것은 귀류법의 논증이다.

2.7.3예제 풀이

예제 2.7.2

자연수 \(a\), \(b\)에 대하여 '\(ab\)가 홀수이면 \(a\)와 \(b\)는 모두 홀수이다'를 대우를 이용하여 증명하여라.

결론 '\(a\)와 \(b\)는 모두 홀수이다'의 부정은 '\(a\)와 \(b\) 가운데 적어도 하나는 짝수이다'이다. 따라서 대우는 '\(a\)와 \(b\) 가운데 적어도 하나가 짝수이면 \(ab\)는 짝수이다'이다.

\(a\)가 짝수라 하자. \(a = 2k\)이면 \(ab = 2(kb)\)이므로 \(ab\)는 짝수이다. \(b\)가 짝수인 경우도 같다. 그러면 대우가 참이므로 원래 명제도 참이다.

여기서 '모두'의 부정이 '적어도 하나는 아니다'가 된다는 데 주의하자. '모두 짝수'로 잘못 부정하면 \(a = 2\), \(b = 3\) 같은 경우가 빠져 증명이 불완전해진다. 아래 탐구 카드에서 귀류법의 각 단계를 직접 따라가 보자.

  1. \(17^2 = 289\), \(2 \times 12^2 = 288\)이므로 \(\left(\tfrac{17}{12}\right)^2\)은 2보다 \(\tfrac{1}{144}\) 크다. \(41^2 = 1681\), \(2 \times 29^2 = 1682\)이므로 \(\left(\tfrac{41}{29}\right)^2\)은 2보다 \(\tfrac{1}{841}\) 작다. 오차는 줄지만 0이 되지는 않는다.
마무리

결론의 부정에서 출발하는 쪽이 쉬우면 대우를 증명하고, '없다'를 보일 때는 있다고 가정해 모순을 끌어내는 귀류법을 쓴다. 그래서 처음 질문의 \(\sqrt{2}\)는 '분수 \(\tfrac{p}{q}\)로 쓸 수 있다'고 가정하면 \(p\), \(q\)가 모두 짝수가 되어 서로소라는 가정과 부딪치므로, 분수로 나타낼 수 없다.

탐구 1

\(n^2\)이 짝수이면 \(n\)도 짝수임을 어떻게 증명할까?

대우를 이용한 증명 · 넓이 모형

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\(n\)을 \(m\)으로 나눈 나머지
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\(n^2\)을 \(m\)으로 나눈 나머지
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구석 \(r^2\) 조각
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  1. 질문"자연수 \(n\)에 대하여 \(n^2\)이 짝수이면 \(n\)은 짝수이다"를 증명하고 싶다. 그런데 \(n^2 = 2k\)로 놓으면 \(n = \sqrt{2k}\)가 되어 더 나아갈 수 없다. 어떻게 해야 할까?
  2. 복원명제와 그 대우는 참, 거짓이 같다. 또 자연수 \(n\)을 \(m\)으로 나누면 \(n = mk + r (0 \le r < m)\)로 쓸 수 있다.
  3. 설명그래서 원래 명제 대신 대우 "\(n\)이 홀수이면 \(n^2\)은 홀수이다"를 증명한다. \(n = 2k + 1\)이면 \(n^2 = 4k^2 + 4k + 1 = 2(2k^2 + 2k) + 1\)이므로 홀수이다. 대우가 참이므로 원래 명제도 참이고, 이것이 대우를 이용한 증명법이다. 그림에서 한 변이 \(n = mk + r\)인 정사각형은 \((mk)^2\) 조각, \(mk \times r\) 띠 두 개, \(r \times r\) 구석으로 나뉜다. 앞의 세 조각은 넓이가 모두 \(m\)의 배수이므로, \(n^2\)을 \(m\)으로 나눈 나머지는 구석 \(r^2\)이 정한다.
  4. 연결이 결과는 바로 다음 카드의 귀류법에서 "\(p^2\)이 짝수이므로 \(p\)도 짝수"라는 단계로 쓰인다. 결론이 '~가 아니다' 꼴이거나 가정에서 결론으로 가는 길이 막힐 때 대우를 떠올리면 좋다.
  5. 적용\(m = 2\)에서 \(n\)을 바꾸며 구석 조각을 보면, \(n\)이 홀수일 때 구석은 늘 1칸이다. \(m = 3\)으로 바꾸어 \(r = 1, 2\)일 때 구석의 넓이를 3으로 나눈 나머지를 확인해 보자. \(m = 4\)에서는 \(n = 2, 6, 10\)이 무엇을 알려 주는지 보고, 각 경우에 '증명 다음 단계'를 끝까지 눌러 보자.
  6. 판단대우를 이용한 증명이 언제나 통하는 것은 아니다. 명제가 거짓이면 대우도 거짓이어서 증명이 막힌다. \(m = 4\)에서 \(n = 2\)이면 \(n^2 = 4\)는 4의 배수이지만 2는 4의 배수가 아니므로, "\(n^2\)이 4의 배수이면 \(n\)은 4의 배수"는 거짓이다. 그래서 증명 단계에서 막히면 반례를 찾아보는 것이 좋다.

확인조건이 달라지면

자연수 \(n\)에 대하여 '\(n^2\)이 5의 배수이면 \(n\)은 5의 배수이다'를 대우를 이용해 증명할 때 확인해야 하는 것은?

탐구 2

\(\sqrt{2}\)가 분수가 아니라는 것을 어떻게 증명할까?

귀류법 · 무리수

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\(p^2\)
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\(2q^2\)
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\(p^2 - 2q^2\)
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  1. 질문\(\sqrt{2} = 1.41421\cdots\)은 \(\frac{7}{5} = 1.4, \frac{17}{12} = 1.4166\cdots\)처럼 분수에 아주 가까워질 수 있다. 그렇다면 정확히 \(\sqrt{2}\)와 같은 분수는 정말 없을까? 어떻게 '없다'를 증명할 수 있을까?
  2. 복원유리수는 서로소인 두 정수 \(p, q(q \ne 0)\)로 \(\frac{p}{q}\)처럼 나타낼 수 있는 수이다. 또 "\(n^2\)이 짝수이면 \(n\)은 짝수"는 앞에서 대우로 증명한 사실이다.
  3. 설명'없다'는 하나하나 확인해서 보일 수 없다. 그래서 결론을 부정해 \(\sqrt{2} = \frac{p}{q}\)(\(p, q\)는 서로소인 자연수)라고 가정한다. 제곱하면 \(p^2 = 2q^2\)이므로 \(p^2\)은 짝수이고, 따라서 \(p\)도 짝수이다. \(p = 2m\)을 넣으면 \(q^2 = 2m^2\)이 되어 \(q\)도 짝수이다. 그러면 \(p, q\)가 모두 2로 나누어떨어지므로 서로소라는 가정과 모순이다. 결론을 부정했을 때 모순이 생김을 보여 원래 명제가 참임을 증명하는 이런 방법을 귀류법이라 한다.
  4. 연결같은 방법으로 \(\sqrt{3}, \sqrt{5}\)가 무리수임도 증명할 수 있다. 다만 이때는 "\(p^2\)이 3의 배수이면 \(p\)도 3의 배수"가 필요하다. 귀류법은 '무한히 많다', '존재하지 않는다'처럼 하나씩 확인할 수 없는 명제를 증명할 때 자주 쓴다.
  5. 적용점을 누르거나 슬라이더로 \(p, q\)를 골라 \(p^2 - 2q^2 = 0\)인 점을 찾아보자. 직선에 가장 가까운 테두리 점들에서도 차이는 1 또는 \(-1\)에 머문다. 찾지 못했다고 해서 그것이 증명인지 생각해 본 뒤, '증명 다음 단계'를 끝까지 눌러 보자.
  6. 판단격자에서 \(p^2 = 2q^2\)인 점을 찾지 못한 것은 증명이 아니다. 더 큰 수에서 있을지도 모르기 때문이다. 반면 귀류법은 모든 경우를 한 번에 다룬다. 또 '서로소'라는 가정을 빼면 모순이 생기지 않으므로, 모순이 어느 가정과 부딪히는지 분명히 해야 한다.

확인조건이 달라지면

귀류법으로 \(\sqrt{3}\)이 무리수임을 증명하려고 \(\sqrt{3} = \frac{p}{q}\)(\(p, q\)는 서로소인 자연수)로 놓았다. \(p^2 = 3q^2\)에서 바로 이어지는 단계는?

읽기 3

어떤 명제에 어떤 증명법을 쓸까?

읽기 · 증명법 · 유클리드

같은 명제라도 어떤 길로 증명하느냐에 따라 쉽기도 하고 막히기도 한다. 그렇다면 어떤 명제에 어떤 증명법이 잘 맞을까? 세 가지 증명법을 비교하고, 2천 년 넘게 쓰여 온 귀류법의 대표 예를 따라가 보자.

1세 가지 길

증명법하는 일잘 맞는 명제
직접 증명가정 \(p\)에서 출발해 결론 \(q\)까지 이어 간다두 짝수의 합은 짝수이다
대우를 이용한 증명\({\sim}q\)에서 출발해 \({\sim}p\)를 이끈다\(n^2\)이 짝수이면 \(n\)은 짝수이다
귀류법결론을 부정하고 모순을 이끈다\(\sqrt{2}\)는 무리수이다, 소수는 무한히 많다

표에서 보듯 대우를 이용한 증명과 귀류법은 모두 결론을 부정한 데서 출발한다. 차이는 도착점에 있다. 대우는 정해진 목표 \({\sim}p\)에 도착해야 하지만, 귀류법은 가정이든 이미 아는 사실이든 무엇과든 모순이 생기기만 하면 된다. 그래서 도착할 곳이 분명하지 않은 '존재하지 않는다', '무한히 많다' 꼴의 명제에는 귀류법이 잘 맞는다.

2유클리드, 소수는 무한히 많다

기원전 300년 무렵 유클리드의 『원론』에 실린 증명을 지금의 말로 따라가 보자. 먼저 결론을 부정해, 소수가 유한개 \(p_1, p_2, \cdots, p_k\)뿐이라고 가정한다. 그리고 이 소수를 모두 곱한 뒤 1을 더한 수 \(N = p_1p_2 \cdots p_k + 1\)을 만든다. \(N\)은 1보다 큰 자연수이므로 소인수를 적어도 하나 가진다.

그런데 \(N\)을 \(p_1, \cdots, p_k\) 가운데 어느 것으로 나누어도 나머지가 1이다. 따라서 \(N\)의 소인수는 목록에 없는 소수여야 한다. 이것은 목록이 모든 소수라는 가정과 모순이므로, 소수는 무한히 많다.

판단이 증명은 "\(N\)이 소수이다"라고 말하지 않는다. \(2 \times 3 \times 5 \times 7 \times 11 \times 13 + 1 = 30031 = 59 \times 509\)처럼 \(N\)이 합성수일 수도 있다. 증명에 필요한 것은 \(N\)의 소인수가 목록 밖에 있다는 사실뿐이다.

확인조건이 달라지면

실수 \(a, b\)에 대하여 '\(a + b > 2\)이면 \(a > 1\) 또는 \(b > 1\)이다'를 증명하는 가장 간단한 방법은?

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