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Hacker News 38일 전

기하 대수학(Geometric Algebra)의 한계와 문제점

IMP
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핵심 요약

최근 선형대수학과 미적분학의 모든 문제를 해결할 수 있는 만능 수학 이론으로 주목받는 기하 대수학(GA)에 대한 비판적 글입니다. 저자는 기하 대수학이 다중벡터(multivectors)와 쐐기곱(wedge product)과 같은 유용한 개념을 제공하지만, 헤스테네스의 기하 곱(geometric product)에 대한 맹신과 종교적인 열광 현상 등 근본적인 결함을 지니고 있다고 지적합니다. 수학 발전을 위해서는 맹목적인 옹호를 멈추고 이러한 구조적 한계를 인정하고 개선하려는 노력이 필요하다고 강조합니다.

번역된 본문

기하 대수학(Geometric Algebra, 이하 GA)에 대한 반론 2024년 2월 28일

때때로 인터넷에서는 기하 대수학(GA)이 선형대수학과 다변수 미적분학의 모든 문제를 해결하는 새로운 수학 이론이라는 이야기가 돌곤 합니다. 저는 이런 주장을 접할 때마다 이렇게 반박하고 싶어집니다. "잠깐만요, 그건 사실이 아닙니다! GA가 분명 무언가 중요한 진전을 보여주고 있긴 하지만, 문제점도 많이 있습니다. 여러분이 진짜로 원하는 건 그저 다중벡터(multivectors)와 쐐기곱(wedge product)의 개념뿐일 겁니다!" 하지만 이런 식의 반박은 그다지 효과적이지 않습니다. 왜 그런지 사람들을 설득하는 데 오랜 시간이 걸릴 뿐만 아니라, 상황이 전혀 나아지지 않은 채로 비슷한 일이 반복되기 때문에 생산적이지도 않습니다.

많은 사람들이 저와 같은 생각을 하고 있지만, 이들은 불만을 토로하기보다는 그냥 GA를 무시하는 방식으로 넘어갑니다. 하지만 저는 솔직히 GA가 이루고자 하는 바가 마음에 들고, 이 분야가 성공했으면 좋겠습니다. 그래서 오늘 제가 그 요점들을 길게 담은 글을 작성하여, 앞으로는 사람들에게 이 글의 링크를 대신 전달하려고 합니다.

특히 제가 문제 삼는 부분은 GA라는 학문이 분명히 결함을 안고 있어 심각한 다듬기가 필요하다는 점, 그리고 무엇보다도 이를 둘러싼 문화가 이러한 사실을 자각하지 못하거나 결함을 해결할 의지가 없어 보인다는 것입니다. 구체적으로는 다음과 같습니다.

헤스테네스(Hestenes)의 '기하 곱(Geometric Product)'은 그렇게 훌륭한 연산이 아니며, 우리가 모든 기하학을 이 연산의 관점으로 다시 작성해서는 안 됩니다. 어떤 이유에서인지 GA는 기하 곱에 집착하며, 이로 인해 온갖 종류의 문제가 발생하고 있습니다. GA 지지자들은 마치 이것이 기하학을 연구하는 당연하고도 유일한 올바른 방법이며, 다른 사람들만 아직 그 사실을 깨닫지 못했다는 듯 행동합니다. 이러한 그들의 이상하고도 종교적인 맹신은 문제가 있으며, 타인을 쉽게 멀어지게 만듭니다.

이는 또한 실질적으로 효과가 없습니다. 특정 모델을 마치 정통이고 자명한 것처럼 취급하는 것은 수학적으로나 사회적으로나 틀린 것이며, 사람들을 처음부터 실망하게 만듭니다. 물론 위대한 기하학 이론에서 기하 곱이 차지할 자리가 있을 수는 있을 것입니다. 하지만 그것이 오늘날 GA가 주장하는 것처럼 이론의 중심에 있어야 할 자리는 아닙니다. 그 결과, 현재의 이론은 본래 가질 수 있었던 설득력을 크게 잃고 있습니다.

GA와 같은 이론이 성공하려면 개선이 필요합니다. 지금보다 기존 수학의 문제를 더 잘 해결해야 하며, 누구나 납득하고 지지할 수 있는 방식이어야 합니다. 오늘날 GA는 때때로 도움을 주기도 하지만 자주 본질을 벗어나는 실수를 저지르는데, 이를 간파하는 사람들은 GA의 부족한 자기 인식 때문에 오히려 소외됩니다. 그 결과, 주류 수학계와 GA의 관계는 불안정할 수밖에 없습니다.

기본적으로 주류 수학계에서는 GA를 기이하고 괴짜 같은 곁가지 취급을 합니다. 매우 의심스럽고 자기 객관화가 부족하기 때문에, 이러한 운동은 결국 대부분의 사람들을 멀어지게 합니다. 오직 특정 유형의... 열광적인 사람들만 남게 되는데, 이들은 거의 사이비 종교적인 열정으로 GA에 대해 글을 쓰며 억측을 내놓기 좋아합니다. 마치 좁은 마음을 가진 전통주의자들이 억압하고 있기 때문에 GA가 주류가 되지 못하는 유일한 이유라는 식으로 음모론을 펴는 것입니다. 만약 여러분이 그렇게 생각하고 있다면, 제가 처음으로 알려드리겠습니다. 아닙니다, 그게 이유가 아닙니다. GA는 흥미롭지만, 현재로서는 그저 그다지 설득력이 없을 뿐입니다.

그럼에도 불구하고 GA는 실제로 몇 가지 중요한 문제를 해결해 주기 때문에 매년 새로운 열성적인 지지자들을 계속해서 만들어내고 있습니다. 새로 합류한 사람들이 상황을 깨닫는 데, 즉 자신이 발견한 이론이 생각했던 것만큼 탄탄하거나 혁명적이지 않다는 사실을 깨닫는 데에는 꽤 오랜 시간이 걸릴 것입니다. 그동안 그들은 다른 사람들에게 GA를 열심히 전파하며 내년의 새로운 신봉자들을 만들어내고 같은 사이클을 반복할 것입니다.

제 의견으로는, 이러한 역학 관계가 GA를 일종의 '영원한 평범함'의 늪에 빠지게 만들고 있다는 것입니다. 모든 사람이 자신이 혁명의 일부라고 생각하며 피상적인 철학만을 방어하고 있을 뿐, 아무도 근본적인 구조적 문제를 비판하거나 개선하려고 하지 않습니다. 제가 이 글을 쓰는 목적은 이 분야가 스스로 발전하고 이러한 문제들을 해결하도록 촉구하기 위함입니다. 이 문제들은 충분히 해결 가능하지만, 그러려면 먼저 무언가 잘못되었다는 사실을 인정해야 합니다.

이 글의 나머지 부분은 제 입장을 뒷받침하는 내용들입니다. 제가 생각해 낼 수 있는 모든 논거를 담기로 결심했기 때문에 매우 길지만, 이 글이 비록 저만의 주관적인 장문의 불평에 불과할지라도 강조하고 싶은 말이 많습니다...

원문 보기
원문 보기 (영어)
The Case Against Geometric Algebra February 28, 2024 Every once in a while the internet gets talking about Geometric Algebra (henceforth GA) and how it’s a new theory of math that fixes everything that’s wrong with linear algebra and multivariable calculus. When I come across this stance I am compelled to respond with something like: “wait wait, it’s not true! GA is clearly onto something but there’s also a lot wrong with it. What you probably want is just the concepts of multivectors and the wedge product!” Which is not very effective, because it takes a long time to convince anyone why, and it’s also not very productive, because this just keeps happening over and over without anything changing. Many people agree with me on this, but they deal with it by mostly ignoring GA instead of complaining about it. But I actually like what GA is trying to do and I want it to succeed. So today I’m going to actually make those points in a longer article that I can link to instead. Specifically what I have a problem with is that the subject is pretty clearly flawed and needs serious work, and especially that the culture around it does not seem to realize this or be interested in addressing those flaws. In particular: Hestenes’ Geometric Product is not a very good operation and we should not be rewriting all of geometry in terms of it. For some reason GA is obsessed with the geometric product, and it’s causing all sorts of problems. They act like this is clearly the way that geometry should be done and everyone else can’t just see it yet, and they have this weird religious zeal about it that is problematic and offputting. It’s also just ineffective: treating certain models as if they are somehow canonical and obvious is wrong, mathematically and socially, and it puts people off right from the start. There probably is a place for the geometric product in a grand theory of geometry, but it’s not front-and-center like GA has it today, and as a result the theory is a lot less compelling than it could be. If something like GA is to succeed, it will need to be improved. It will need to fix the problems with establishment mathematics better than it does now, in a way that everyone can get behind. Today it helps sometimes but often misses the mark, and people who can see that are alienated by the lack of self-awareness about this. As a result GA’s relationship to mainstream mathematics is tenuous. Basically, GA is considered a kooky, crackpotty sideshow. And because it is so dubious and un-self-aware, the movement ends up alienating most people, except for a particular type of… zealous individual… who write about it with a sort of pseudoreligious zeal, and are prone to conspiracy, as if the only reason GA is not mainstream is that they are being oppressed by close-minded traditionalism. If that’s what you think, let me be the first to inform you: no, that’s not it. GA is interesting, but it’s just not very compelling at the moment. GA continues to find more enthusiasts every year, because it really does address some actual problems. And it will take those new people a while to realize what’s going on—that the thing they’ve discovered is not as solid and revolutionary as they think it is. In the meantime they will go on selling other people on GA, creating the next years’ converts and repeating the cycle. My opinion is that this dynamic is causing GA to be stuck in a sort of perpetual mediocrity, where everyone’s defending the surface-level philosophy because they think they’re part of a revolution, but nobody’s bothering to criticize or improve the underlying structural problems. My purpose in writing this is to push it to improve and address those problems. They’re very fixable, but first you have to notice that something is wrong. The rest of this article substantiates my stance. It is very long, because I decided to include every argument I could think of. But I want to emphasize that, although this is my own long and opinionated rant with lots of individual parts that nobody else is really saying, I am far from the only person who believes the big picture (quite a few have emailed me to agree on this). The state of things is that lots of credible people just roll their eyes at GA and then move on and ignore it. But I actually do believe in GA’s philosophical project: math should be changing in this direction. So I would like to see that change, and to do that we need to establish what’s wrong with it now. Big disclaimer: I’m not a professional mathematician, and this is not going to be the case that a serious mathematician would make, which would probably be something like “GA doesn’t prove anything new so who cares?” (Fine, but the goals of research mathematics are rather unrelated to the goals of people who use mathematics for practical purposes.) Also, since I do more-or-less subscribe to the underlying program of GA, I am at least slightly on the crank side of the fence as well. Take me seriously at your own risk. First I am going to describe my understanding of what GA is, how it got to be that way, and where it lives in relation to the rest of math and physics. This will be useful in order to pinpoint exactly what we’re disagreeing about here. As far as I know the whole story isn’t really documented anywhere else, so I’m just going off what I’ve picked up over the years. But I am no historian and don’t really know how to check it against reality; I’d be happy to be corrected on anything in here. 1. A lot of background on GA Geometric Algebra is both a social movement and a branch of mathematics. As a social movement, it’s a group of people who believe that (a) mathematics research and pedagogy ought to be reformulated to be more useful, especially to its users who are not research mathematicians, and (b) this reformulation ought to be done in terms of a particular set of new primitives, which is the branch of mathematics side. The argument for doing this is that it would make a lot of math simpler, easier to understand, and easier to use for practical purposes. As a branch of mathematics, it is a recasting of a subject called Clifford Algebra (henceforth CA), which is a somewhat-obscure descendent of another subject called Exterior Algebra (henceforth EA). Because it’s important to understand which parts are GA and which parts aren’t, here is how the various algebras relate to each other: Exterior Algebra is built on the ‘exterior product’, denoted \(\b{a} \^ \b{b}\), commonly called the ‘wedge product’ because it looks like a wedge. It incorporates the concept of ‘multivectors’ in a vector space, such as bivectors that form a vector space of oriented areas, or trivectors which form a vector space of oriented volumes. It also includes some other natural operations that you need to do math with those: the Hodge star \(\star\) and an interior product, which generalizes the dot product to multivectors. EA comes up naturally in abstract algebra, and in various downstream fields, such as algebraic topology. It also seems to exist in combinatorics literature with a somewhat different set of notations. More generally, EA provides the only actually good way of looking at a lot of the concepts in linear algebra, such as determinants, matrix minors, and cross products, a perspective which seems to be gradually infiltrating the literature that touches those subjects but mostly has not made its way into the undergraduate curriculum yet. If an undergraduate linear algebra class is chapter one of the larger subject of linear algebra, then EA is chapter two. It’s already well-known to mathematicians and physicist, and my impression is that it is gradually becoming ubiquitous at the graduate level but is mostly not taught to undergraduates. Most physicists and some mathematicians will first learn about EA from its ubiquitous use in the field of Differential Geometry or its application in General Relativity, where it shows up as the “exterior calculus of differential forms”,