원근감으로 간격이 달라져도, 그대로 남는 비율이 있을까요?

분수식으로 좌표를 바꾸면 같은 간격의 점들이 어떻게 보이는지 계산해요. 이어 서로 다른 네 점의 차로 정의한 비율을 변환 전후에 비교하며, 그대로 남는 양이 어떤 비율인지 확인해요.

앞에서 위쪽으로 이어지는 실제 넓은 계단과 양쪽 난간

사진: Basile Morin · CC BY-SA 4.0 · 원본 출처

f(t)=t/(1+t),t>−1로 직선의 좌표를 화면에 표시해요. 같은 간격의0,1,2,3은 같은 간격으로 보일까요? 서로 다른 네 입력 a,b,c,d>−1에 대해 아래 R이 변환 전후 같은지도 확인해 볼까요?

R(a,b,c,d)=(c−a)(d−b)(c−b)(d−a),f(t)=t1+t.R(a,b,c,d)=\frac{(c-a)(d-b)}{(c-b)(d-a)},\qquad f(t)=\frac{t}{1+t}.

화면 좌표는0,1/2,2/3,3/4예요. 이웃 간격은1/2,1/6,1/12로 줄어들어요. 같은 간격이라는 성질은 이 변환에서 유지되지 않아요.

임의의 서로 다른 두 입력에서 좌표 차를 계산하면 분모의 영향을 정확히 분리할 수 있어요.

f(v)−f(u)=v−u(1+u)(1+v)⟹R(f(a),f(b),f(c),f(d))=R(a,b,c,d).f(v)-f(u)=\frac{v-u}{(1+u)(1+v)}\quad\Longrightarrow\quad R(f(a),f(b),f(c),f(d))=R(a,b,c,d).

R의 분자와 분모에는1+a,1+b,1+c,1+d가 각각 한 번씩 같은 자리수로 들어가 모두 사라져요. 네 입력이 서로 달라 차의 분모가0이 아니며, t>−1이어서 f도 정의돼요. 특정 숫자 네 개의 성공만으로 일반 불변을 주장한 것이 아니에요.

원근 변환에서 “비율은 보존된다”고 답했다면 어떤 비율인지 다시 적어 봐요. 단순한 이웃 길이비와 여기서 네 점의 차로 정의한 R은 달라요. 박물관 전시가 이 항등식을 직접 설명했다고 주장하지 않고, 투영 관점에서 만든 자체 대수 질문으로 구분해요.

착안 원문: Mathematik exhibition. 문항의 좌표·조건·논증은 새로 구성했어요. 원문 도판이나 활동 지시의 번역이 아니에요.

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