가우스와 최소제곱법: 천문학에서의 혁신적 적용

가우스의 최소제곱법에 관한 기록은 그의 논문과 서신, 당시의 천문학적 계산에 관한 문서들에 남아 있습니다. 여기 몇 가지 주요 자료와 그에 대한 설명, 출처를 제공합니다.

 

Carl Friedrich Gauss 우표(동독)

최소제곱법 관련 가우스 논문

 

• 논문 제목: "Theoria motus corporum coelestium in sectionibus conicis solem ambientium" (태양 주위를 타원 궤도로 공전하는 천체의 운동 이론)
• 발표 연도: 1809년
• 내용 요약: 가우스는 이 논문에서 최소제곱법을 처음으로 체계적으로 설명하였습니다. 이 방법은 천문학적 관측 데이터를 분석하고 행성의 궤도를 계산하는 데 사용되었습니다.

가우스 원본 논문과 123 페이지 내용

 

카를 프리드리히 가우스는 동시대의 여러 수학자 및 과학자들과 서신을 주고받으며 최소제곱법에 대해 논의했습니다. 특히, 1801년부터 1809년까지 프리드리히 베셀(Friedrich Bessel)과 주고받은 서신에서 이 방법을 언급했습니다. 이러한 서신은 가우스의 저작집인 "Carl Friedrich Gauss Werke"에 포함되어 있으며, Göttingen Digital Library에서 원본 자료를 열람할 수 있습니다. 또한, 가우스는 자신의 자서전에서 최소제곱법의 초기 연구와 발전 과정을 언급했습니다. 이 기록은 "Carl Friedrich Gauss: Werke" Volume 10에 포함되어 있으며, 역시 Göttingen Digital Library에서 확인할 수 있습니다.

 

소행성 세레스

 

NASA 세레스의 실시간 이미지 사진

소행성 세레스는 1801년 1월 1일, 이탈리아의 천문학자 주세페 피아치(Giuseppe Piazzi)에 의해 발견되었습니다. 피아치는 시칠리아의 팔레르모 천문대에서 세레스를 처음 관측했습니다. 세레스는 처음에 행성으로 분류되었으나, 이후 소행성으로 재분류되었고, 2006년에는 다시 왜행성으로 분류되었습니다​.

세레스는 태양과 지구 사이의 평균 거리의 약 2.8배인 413.9백만 킬로미터 떨어져 있으며, 이는 2.8 AU(천문 단위)에 해당합니다. 세레스의 지름은 약 939.4 km로, 소행성대에서 가장 큰 천체입니다. NASA의 Dawn 미션이 2015년에 세레스를 탐사하면서, 세레스의 표면과 구조에 대한 많은 정보가 수집되었습니다​. 세레스의 이름은 로마 신화의 농업의 여신인 세레스에서 유래했으며, 피아치는 처음 발견 당시 "Ceres Ferdinandea"라고 명명했습니다. "Ferdinandea"는 시칠리아의 왕 페르디난드를 기리기 위한 것이었지만, 후에 이 부분은 제거되었습니다​. 가우스는 피아치의 관측 데이터를 사용해 세레스의 궤도를 예측하는 데 중요한 역할을 했습니다. 그는 최소제곱법을 사용하여 세레스의 궤도를 정확하게 계산했고, 이로 인해 세레스는 성공적으로 재발견될 수 있었습니다​.

 

최소제곱법과 천문학에의 적용

 

세레스 궤도(출처: Space Reference)

 

최소제곱법: 가우스가 개발한 최소제곱법은 당시 천문학에 적용되어 놀라운 결과를 이끌어 냈습니다. 최소제곱법은 관측 데이터의 오차를 최소화하여 매우 정확한 결과를 도출하는 간단하면서도 정밀한 수학적 기법입니다. 쉽게 설명하자면, 여러 측정값에서 데이터를 가져와서 그 차이(오차)를 제곱하여 합쳤을 때 가장 작은 값을 찾는 것입니다. 이 값이 찾고자 하는 가장 정확한 값을 나타냅니다. 최소제곱법(Minimum Least Squares)은 관측 데이터에서 얻은 값들과 이론적 모델 사이의 차이(잔차)의 제곱합을 최소화하는 방법으로 데이터에 가장 잘 맞는 선이나 곡선을 찾을 때 사용하며 특히 회귀 분석에서 매우 중요합니다. 이 방법은 잘 알려진 내용이라 별도로 예시를 보이지 않고 식만 정리하였습니다.

• S는 잔차의 제곱합
• yᵢ는 관측된 데이터 값
• f(xᵢ, β)는 데이터에 대한 예측 모델
• β는 모델의 파라미터
• xᵢ는 독립 변수

최소제곱법(Least Squares Method)을 사용한 간단한 예시를 들어보겠습니다. 이 방법은 주어진 데이터에 가장 잘 맞는 직선 또는 곡선을 찾는 데 사용됩니다. 아래는 임의의 데이터와 이를 기반으로 최소제곱법을 적용한 예시입니다. 데이터입니다.

 

x	y	x*x	y*y	x*y
1	2	1	4	2
2	3	4	9	6
3	5	9	25	15
4	4	16	16	16
5	6	25	36	30

 

데이터에 가장 잘 맞는 직선을 찾고자 합니다. 직선의 방정식은 y = mx + b이며 계산 과정입니다.

• n=5 (데이터 포인트의 개수)
• ∑x=1+2+3+4+5=15
• ∑y=2+3+5+4+6=20
• ∑xy=(1∗2)+(2∗3)+(3∗5)+(4∗4)+(5∗6)=2+6+15+16+30=69
• ∑x²=1²+2²+3²+4²+5²=1+4+9+16+25=55

기울기와 절편 계산과정입니다.

기울기(m) 계산: m=(n∑xy−(∑x)(∑y))/(n∑x²−(∑x)²)=(5∗69−15∗20)/(5∗55−15²)=(345−300)/(275−225)=45/50=0.9

절편(b) 계산:b=(∑y−m∑x)/n=(20−0.9∗15)/5=(20−13.5)/5=6.5/5=1.3

 

따라서, 가장 적합한 직선의 방정식은 y=0.9x+1.3입니다.

 

최소제곱법의 천제학 적용: 가우스의 최소제곱법은 1801년 소행성 세레스의 궤도를 예측하는 데 사용되었습니다. 세레스는 초기에 행성으로 알려졌으나 나중 소행성으로 분류되었은데 문제의 복잡성은 세레스는 몇 주 동안만 관측되었고, 그 후 태양에 의해 가려져 추가 관측이 불가능한데 가우스는 이 짧은 시간 동안의 관측 데이터를 사용하여 세레스의 궤도를 추정해야 했습니다. 가우스가 세레스의 궤도를 계산한 것과 관련된 서신과 문서들은 그의 방법론과 발견 과정을 잘 보여줍니다. 1801년, 가우스는 주세페 피아치가 관측한 세레스의 데이터를 사용하여 궤도를 계산했습니다. 그는 케플러의 법칙과 자신이 개발한 최소제곱법을 이용하여 세레스의 위치를 예측했습니다. 이 과정에서 피아치의 관측 데이터 22개 중 3개만을 사용해 초기 궤도 요소를 추정하고, 이를 반복적으로 수정하여 정확한 궤도를 계산했습니다. 가우스의 계산 덕분에 세레스는 1801년 12월 재발견될 수 있었습니다. 가우스는 세레스의 궤도를 계산하기 위해 케플러의 법칙과 자신이 개발한 최소제곱법(이 방법은 당시 누가 먼저 발견했는냐로 논쟁이 있었음)을 활용하여 세레스의 궤도를 예측했습니다. 가우스의 계산 결과는 매우 정확하여 가우스가 예측한 위치에서 정확히 관측되었습니다.

 

최소제곱법의 다른 예시

 

최소제곱법은 데이터 분석 및 예측 모델링에서 매우 널리 사용되는 기법입니다. 다음은 최소제곱법이 사용되는 몇 가지 주요 예시입니다.

 

1. 회귀 분석 (Regression Analysis)

회귀 분석은 종속 변수와 독립 변수 간의 관계를 모델링하는 방법입니다. 최소제곱법은 주어진 데이터 포인트에 가장 잘 맞는 직선 또는 곡선을 찾는 데 사용됩니다. 

• 주택 가격 예측: 주택의 크기, 위치, 방의 수와 같은 변수들에 기반하여 주택의 가격을 예측하는 모델을 만들 때 사용됩니다.
• 경제 데이터 분석: GDP, 실업률, 소비 지출 등의 경제 데이터를 분석하고 예측하는 데 사용됩니다.

 

2. 곡선 피팅 (Curve Fitting)

곡선 피팅은 주어진 데이터 포인트에 가장 적합한 곡선을 찾는 과정입니다. 이는 선형 관계뿐만 아니라 비선형 관계에도 적용될 수 있습니다. 

• 물리 실험 데이터 분석: 실험에서 얻은 데이터를 분석하여 물리적 법칙을 찾고, 데이터를 설명하는 수학적 모델을 만드는 데 사용됩니다.
• 화학 반응 속도: 화학 반응 속도 데이터를 분석하여 반응 속도 상수를 추정하는 데 사용됩니다.

 

3. 시계열 데이터 분석 (Time Series Analysis)

시계열 데이터 분석에서는 시간에 따라 변화하는 데이터를 모델링합니다. 최소제곱법은 시계열 데이터를 기반으로 한 추세선을 찾는 데 사용됩니다. 

• 주식 시장 예측: 주식 가격 데이터를 분석하여 미래 주식 가격을 예측하는 모델을 만드는 데 사용됩니다.
• 기상 데이터 분석: 온도, 강수량 등의 기상 데이터를 분석하여 기후 변화를 예측하는 데 사용됩니다.

 

4. 이미지 처리 (Image Processing)

이미지 처리에서는 이미지 데이터를 분석하고 변환하는 과정에서 최소제곱법을 사용하여 픽셀 값의 변화를 모델링합니다.

• 이미지 압축: 이미지 데이터를 압축하기 위해 데이터의 변동성을 최소화하는 모델을 만드는 데 사용됩니다.
• 이미지 복원: 손상된 이미지 데이터를 복원하기 위해 픽셀 간의 관계를 모델링하는 데 사용됩니다.

 

5. 신호 처리 (Signal Processing)

신호 처리에서는 시간 또는 주파수 도메인에서 신호를 분석하고 변환합니다. 최소제곱법은 신호의 특성을 모델링하는 데 사용됩니다.

• 음성 인식: 음성 신호 데이터를 분석하여 단어나 문장을 인식하는 데 사용됩니다.
• 데이터 통신: 전송된 신호 데이터를 분석하여 원래의 데이터를 복원하는 데 사용됩니다.

 

6. 통계학 (Statistics)

통계학에서는 데이터를 분석하고 해석하기 위해 다양한 기법을 사용합니다. 최소제곱법은 통계 모델을 만들고 데이터를 설명하는 데 중요한 역할을 합니다.

• 실험 설계 분석: 실험 데이터를 분석하여 변수 간의 관계를 이해하고 모델을 만드는 데 사용됩니다.
• 설문 조사 분석: 설문 조사 데이터를 분석하여 응답자의 행동이나 의견을 모델링하는 데 사용됩니다.

 

7. 경제학 (Economics)

경제학에서는 경제 데이터를 분석하여 경제 현상을 설명하고 예측합니다. 최소제곱법은 경제 모델을 만드는 데 자주 사용됩니다. 

• 소비자 행동 분석: 소비자 지출 데이터를 분석하여 소비 패턴을 예측하는 데 사용됩니다.
• 시장 분석: 시장 데이터를 분석하여 수요와 공급의 변화를 모델링하는 데 사용됩니다.

최소제곱법은 데이터의 오차를 최소화하여 가장 적합한 모델을 찾는 데 중요한 도구입니다. 이를 통해 다양한 분야에서 데이터를 분석하고 예측하는 데 널리 사용됩니다. 통계, 공학, 경제학 등 여러 분야에서 자주 사용되며 실험 자료 분석, 주식 시장 예측, 공학 설계 최적화 등에 없어서는 안 될 필수 요소입니다. 동시에 변수 간의 관계를 모형화하여 향후 값을 예측하는 데 사용되는 선형 회귀 분석의 기초가 되기도 합니다. 가우스의 최소제곱법은 복잡한 수학적 모형화와 데이터 분석의 발전에 크게 이바지했으며, 과학적 발견과 기술 혁신으로 이어지는 중요한 방법이 되었습니다.

 

마무리

 

가우스의 방법은 오늘날에도 여전히 강력한 과학적 분석 방법으로 사용되어 복잡한 문제를 해결하고 더욱 정확한 결론에 도달하는 데 도움이 됩니다. 이 방법을 통해 가우스는 단순한 수학자가 아니라 우리가 사는 현실 세계의 문제를 해결하기 위해 수학을 어떻게 적용할 수 있는지 보여줌으로써 수학이 추상적이고 이론적인 연구뿐만 아니라 현실 세계의 문제를 해결하는 데 얼마나 중요한지 보여주었습니다.

 

역사적 인물

총정리