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지수함수 실험실

연못의 수련이 매일 2배씩 늘어 30일째에 연못을 꽉 채운다면, 절반을 채운 날은 언제일까?

지수함수는 '현재량에 비례해 변하는' 모든 것의 공통 곡선이다. 폭발과 소멸은 같은 함수의 양면이다.

Why

왜 필요한가

세균은 지금 있는 만큼 분열하고, 이자는 지금 잔고만큼 붙고, 전염병은 지금 감염자 수에 비례해 퍼진다. '변화량이 현재량에 비례한다'는 공통 구조다.

이런 성장은 일차함수의 직선 감각으로는 절대 예측이 안 된다. 어제까지 조용하다가 오늘 갑자기 폭발하는 것처럼 보인다 — 사실은 처음부터 같은 비율로 자라고 있었다.

이 구조를 담는 함수가 y = aˣ, 지수함수다. 답이 29일(30일이 아니라!)인 수련 문제가 보여주듯, 지수의 세계에서 마지막 한 걸음은 지금까지의 전부와 같다.

Experiment

직접 만져보기

이렇게 실험해보세요

  • 1수련 문제의 답을 먼저 찍고, 시뮬레이션으로 확인해보세요.
  • 2증가율을 2배로 올리면 30일 뒤 값이 몇 배가 될지 예측해보세요 — 2배보다 훨씬 큽니다.
  • 3감소 모드(반감기)로 바꿔보세요. 폭발 곡선이 뒤집힌 소멸 곡선이 됩니다.

🔮 실험 전 예측 — 수련이 매일 2배씩 늘어 30일째에 연못을 꽉 채웁니다. 절반을 채운 날은 언제일까요?

15일 후 (처음 = 1)

3.28e+4배

직선 감각의 예상 (점선)

16.0배

실선(지수)과 점선(직선 감각)의 간격이 곧 우리 직관의 오차입니다. 기간을 늘릴수록 간격이 폭발합니다.

Insight

영상에서 말한 인사이트

지수함수의 특별함은 '변화 속도가 자기 자신을 닮았다'는 것이다.

지수함수는 클수록 빨리 자란다 — 성장 속도가 현재 크기에 비례하기 때문이다. 미분해도 자기 자신이 나오는 유일한 함수(eˣ)가 여기서 태어난다.

29일의 교훈: 지수의 세계에서 '아직 절반'은 '거의 끝'이다.

연못의 절반은 마지막 하루 만에 채워진다. 좋은 쪽(복리 자산)이든 나쁜 쪽(전염병·부채)이든, 지수적 현상은 눈에 띄었을 때 이미 늦은 경우가 많다.

Misconception

사람들이 흔히 하는 오해

매일 2배면 30일 뒤엔 60배쯤 된다.

2³⁰ ≈ 10억 배다. 곱셈의 반복을 덧셈 감각으로 어림하면 항상 어마어마하게 과소평가한다. 인간의 직관은 선형이고, 세상의 성장은 지수다.

그래프가 완만한 초반에는 아직 '지수적'이 아니다.

초반의 완만함도 같은 비율의 성장이다. 1→2→4는 커 보이지 않지만 이미 매번 2배씩 크고 있다. 전염병 초기 대응이 중요한 수학적 이유가 이것이다.

Formula

수식으로 정리하기

시뮬레이션에서 본 폭발과 소멸을 수식으로 정리합니다.

지수함수

a>1이면 폭발(성장), 0<a<1이면 소멸(감쇠). 실험의 증가율 슬라이더가 바로 a였다.

성장의 구조

변화량이 현재량에 비례한다는 말의 수식. 이 한 줄을 n번 반복하면 (1+r)ⁿ이 된다 — 복리 실험실에서 본 그 식이다.

반감기·배가 시간

일정한 비율로 변하는 것들은 '2배 되는 시간'과 '절반 되는 시간'이 항상 일정하다. 그 시간을 묻는 순간 로그가 등장한다.

In Real Life

현실에서 만나는 곳

전염병 확산

감염자 1명이 평균 R명을 감염시키면 세대마다 R배 — R이 1보다 큰가 작은가가 방역의 전부였다.

복리와 부채

자산도 빚도 지수로 자란다. 복리 실험실에서 본 눈덩이 곡선이 바로 지수함수다.

방사성 붕괴와 연대 측정

탄소-14는 5,730년마다 절반으로 준다. 남은 비율을 재면 유물의 나이를 역산할 수 있다 — 감소 지수함수의 활용.

망각 곡선

기억도 지수적으로 사라진다. 복습 타이밍을 수학으로 설계할 수 있는 이유다 (학습 실험실 예정).

Watch

관련 유튜브 영상

전염병 그래프와 내 적금 그래프가 똑같은 이유영상 링크가 곧 연결될 예정입니다유튜브 채널 먼저 둘러보기 →

Connection

개념은 이어진다

이전 개념

aⁿ

거듭제곱

같은 수를 반복해 곱하는 폭발을 먼저 체험하면, 지수함수는 그 폭발을 연속으로 이은 곡선일 뿐이다.

거듭제곱 실험실 (준비 중) 미리 보기 →

다음 개념으로 연결

log x

로그함수

폭발하는 곡선을 사람의 눈으로 읽으려면 압축 렌즈가 필요하다. 지수함수를 거울에 비추면 나타나는 함수 — 로그함수다.

로그함수 실험실로 이동 →