도형을 1배·2배·3배로 키워 점을 세면, 모양도 알 수 있을까요?

정사각형과 삼각형을 양의 정수배로 키우며 정수 좌표의 점을 세어요. 두 도형은 모든 정수배에서 전체·경계·내부의 점 수가 각각 같아요. 가로줄의 점 수를 더해 이를 확인하고, 끝없이 점 수를 기록해도 두 모양을 구별하지 못하는 이유를 살펴봐요.

직육면체와 삼각형 면의 점토 사물이 놓인 작업대

이미지: AI 생성 · 수학 이야기

점이 몇 개 들어 있는지만 기록하면 도형의 모양도 알 수 있을까요? 한 번의 기록이 부족하다면 1배·2배·3배로 키운 뒤 계속 세면 어떨까요? 다음 자체 두 도형은 모든 양의 정수배에서 점 수가 같아요.

같은 단위의 수직 좌표축을 쓰고 경계도 포함해요. 정사각형 Q_k는 0≤x,y≤2k이고, 삼각형 T_k의 꼭짓점은 (0,0),(4k,0),(0,2k)입니다. k는 양의 정수이며 세는 점의 두 좌표도 정수예요.

정사각형은 가로·세로 각각 2k+1개이므로 점 수는 (2k+1)²입니다. 삼각형에서는 가로줄 y=j마다 허용되는 x가 0부터 4k−2j까지예요.

N(Tk)=∑j=02k(4k−2j+1)=(2k+1)(4k+2)2=(2k+1)2.\begin{gathered} N(T_k)=\sum_{j=0}^{2k}(4k-2j+1)\\ =\frac{(2k+1)(4k+2)}2=(2k+1)^2. \end{gathered}

따라서 k=1,2,3에서 둘 다 9·25·49개예요. 일반 k의 등차합으로 계산했으므로 처음 몇 단계만 우연히 같은 것이 아니에요. 더 큰 정수배의 점 수를 추가해도 두 후보는 남아요.

경계와 내부를 따로 세면 어떨까요? 정사각형 경계는 8k개예요. 삼각형의 각 변 내부에는 4k−1, 2k−1, 2k−1개가 있고 꼭짓점 세 개를 한 번씩 더하면 역시 8k개예요. 빗변에서는 x+2y=4k의 정수 해를 센 거예요.

B(Qk)=B(Tk)=8k,I(Qk)=I(Tk)=(2k−1)2.\begin{gathered} B(Q_k)=B(T_k)=8k,\\ I(Q_k)=I(T_k)=(2k-1)^2. \end{gathered}

전체뿐 아니라 두 항으로 나눈 기록도 모든 정수배에서 같아요. 넓이도 각각 4k²지만 모양은 정사각형과 삼각형으로 달라요.

교사는 넓이를 결정하는 점 셈과 모양 전체를 결정하는 정보를 분리하게 해요. 이 두 가족은 점 수 자료의 한계를 보여 주는 반례예요. 모든 도형을 분류한 결론이나 임의의 실수배 확대에서도 같은 기록이라는 주장으로 넓히지 않아요.

출처·착안: Connecting the Dots with Pick’s Theorem (2018). 원문의 관점을 참고해 질문·조건·논증을 새로 구성했다.

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