PERFORMANCE TASK · UNIT Ⅰ-1
1.6

무리수의 발견

Discovery of Irrationals — Reconstruct the Proof of √2's Irrationality

2,500년 전 피타고라스 학파를 충격에 빠뜨렸던 발견 — $\sqrt{2}$가 분수가 아니라는 사실을 — 당신의 손으로 증명해 봅시다. 6단계의 귀류법 보고서를 작성하며 수학사의 가장 유명한 증명을 직접 재현합니다.

과제 설명

A 2,500-year-old proof — rebuilt step by step in your own words.

√2

피타고라스 학파의 충격

고대 그리스의 피타고라스 학파는 "만물은 수(정수의 비)"라는 신앙을 가졌습니다. 그러나 한 변이 $1$인 정사각형의 대각선 $\sqrt{2}$는 — 어떤 분수로도 표현할 수 없었습니다. 이를 발견한 히파소스는 비밀을 누설한 죄로 바다에 던져졌다는 전설이 전해집니다. 그 비밀이 바로 지금부터 당신이 재현할 증명입니다.

당신의 임무

$\sqrt{2}$가 무리수임을 귀류법으로 증명합니다. 각 단계마다 핵심 논리를 자신의 언어로 정리하고, 마지막에 전체 증명을 한 편의 보고서로 완성합니다.

왜 귀류법인가? 직접 증명("$\sqrt{2}$가 무리수다")보다 반대로 가정해서 모순을 끌어내는 것이 훨씬 쉽기 때문입니다. 이것이 귀류법의 위력.

STAGE 1가설 설정
STAGE 2식 변형
STAGE 3$p$ 짝수
STAGE 4$q$ 짝수
STAGE 5모순 발견
STAGE 6최종 보고서
01
STAGE ONE · HYPOTHESIS
가설 설정
귀류법의 시작 — 증명하려는 명제의 반대를 가정합니다. 우리는 $\sqrt{2}$가 무리수임을 보이려 하므로, 반대로 $\sqrt{2}$가 유리수라고 가정합니다.
가이드 — 핵심 아이디어

① $\sqrt{2}$가 유리수라면 두 정수 $p, q$의 비로 표현 가능 → $\sqrt{2} = \dfrac{p}{q}$

② $\gcd(p, q) = 1$ — 즉 기약분수로 표현했다고 가정 (어떤 분수든 약분하면 기약분수가 됨)

가정: $\sqrt{2} = \dfrac{p}{q}$  ($p, q$는 정수, $q \ne 0$, $\gcd(p,q) = 1$)
02
STAGE TWO · MANIPULATION
변형
가정한 식 $\sqrt{2} = \dfrac{p}{q}$를 제곱하여 정수 방정식으로 변형합니다. 무리수를 다루기 어려우니, 양변을 제곱해 정수만의 관계로 바꿉니다.
가이드 — 식의 변형

① 양변 제곱: $(\sqrt{2})^2 = \left(\dfrac{p}{q}\right)^2$ → $2 = \dfrac{p^2}{q^2}$

② 양변에 $q^2$을 곱하면 정수 방정식 도출

$p^2 = 2q^2$   ⟹   $p^2$은 짝수

$2q^2$은 $2$의 배수이므로 짝수. 따라서 $p^2$도 짝수.

03
STAGE THREE · p IS EVEN
$p$가 짝수임을 보이기
$p^2$이 짝수라는 사실로부터 $p$ 자체도 짝수임을 끌어냅니다. 이것은 "홀수의 제곱은 홀수"라는 단순한 사실의 대우입니다.
가이드 — $p$의 분석

① 만약 $p$가 홀수라면? $p = 2m+1$로 쓸 수 있고, $p^2 = (2m+1)^2 = 4m^2 + 4m + 1$ → 홀수

② 그런데 $p^2$이 짝수이므로 $p$는 홀수가 아님 → $p$는 짝수

③ 짝수는 $2$의 배수이므로 $p = 2k$ (어떤 정수 $k$)로 표현 가능

$p = 2k$   (어떤 정수 $k$에 대해)
04
STAGE FOUR · q IS EVEN
$q$도 짝수임을 보이기
STAGE 3에서 얻은 $p = 2k$를 STAGE 2의 식 $p^2 = 2q^2$에 대입하면 — 같은 방법으로 $q$도 짝수임을 끌어낼 수 있습니다.
가이드 — $q$의 분석

① $p = 2k$를 $p^2 = 2q^2$에 대입: $(2k)^2 = 2q^2$ → $4k^2 = 2q^2$

② 양변을 $2$로 나누면: $q^2 = 2k^2$ → $q^2$도 짝수

③ STAGE 3과 같은 논리로 $q$도 짝수

$q$ 또한 짝수
05
STAGE FIVE · CONTRADICTION
모순 발견
$p$도 짝수, $q$도 짝수 — 그렇다면 두 수 모두 $2$의 배수입니다. 그런데 STAGE 1에서 우리는 $\gcd(p, q) = 1$ (서로소, 기약분수)이라 가정했었습니다. 여기서 모순이 발생합니다!
가이드 — 모순의 핵심

① $p, q$가 모두 짝수 → $\gcd(p, q) \ge 2$

② 그러나 STAGE 1의 가정은 $\gcd(p, q) = 1$

두 결론이 모순! 가정이 거짓이라는 의미.

⚠ 모순 발생!   STAGE 1의 가정 "$\sqrt{2}$ 유리수"가 틀렸다
06
STAGE SIX · REPORT
최종 증명 보고서
이제 5단계의 논리를 하나의 매끄러운 증명으로 종합합니다. 수학자가 논문을 쓰듯 — 가정 → 변형 → 분석 → 모순 → 결론의 흐름을 한 편의 글로 정리합니다.

증명 완료

Your proof reconstruction is ready — like a true mathematician.