나뭇잎 교과서

측정과 어림

같은 것을 두 번 재면 값이 조금 다르게 나옵니다. 그렇다면 어떤 값을 적어야 하고, 그 값을 얼마나 믿을 수 있을까요? 이 절에서는 오차가 생기는 까닭, 의미 있는 자릿수를 정하는 방법, 그리고 정확히 잴 수 없는 양을 어림하는 방법을 다룹니다.

본문

측정과 어림

본문

같은 연필의 길이를 다섯 번 재었더니 14.2 cm, 14.3 cm, 14.1 cm, 14.3 cm, 14.2 cm가 나왔다. 연필의 '진짜' 길이는 무엇이고, 이 측정을 얼마나 믿을 수 있을까? 계산기가 보여 주는 14.22라는 평균값을 그대로 적어도 될까?

그림 1. 측정을 많이 할수록 평균은 우연 오차가 줄어 한 값으로 모이지만, 계통 오차가 있으면 그 값 자체가 참값에서 비켜 있다.
먼저 알아야 할 것평균 구하기, 반올림, 단위(기본량과 단위).

1.3.1오차는 왜 생길까

측정값과 참값의 차이를 오차라 한다. 연필을 잴 때 눈금을 비스듬히 읽거나, 자를 대는 위치가 조금씩 달라지면 값이 위아래로 흩어진다. 이렇게 매번 크기와 방향이 달라지는 오차를 우연 오차라 한다. 우연 오차는 여러 번 재어 평균을 내면 서로 상쇄되어 줄어든다.

그런데 자의 끝이 닳아 0 눈금이 1 mm 안쪽에 있다면 어떨까? 이때는 몇 번을 재든 값이 늘 1 mm 크게 나온다. 이렇게 한쪽으로 치우치는 오차를 계통 오차라 한다. 계통 오차는 평균을 내도 사라지지 않으므로, 기구를 고치거나 다른 방법으로 비교해서 찾아야 한다.

그림 1의 슬라이더로 측정 횟수를 늘려 보자. 점들의 평균이 점점 한 값에 모인다. 그런데 계통 오차를 넣으면 평균이 모이는 자리 자체가 참값에서 옮겨 간다. 즉 많이 잴수록 정밀해지지만, 그것만으로 정확해지지는 않는다.1

1.3.2믿을 수 있는 자릿수

눈금이 1 mm인 자로 재면 mm 자리까지는 눈금으로 읽고, 그 아래 한 자리는 눈대중으로 어림한다. 그래서 14.2 cm라는 값의 마지막 자리 2는 조금 불확실하지만 의미가 있다. 측정값에서 이렇게 의미 있는 숫자를 유효 숫자라 하고, 14.2 cm는 유효 숫자가 세 개이다.

정리 1.3.1 유효 숫자의 규칙

0이 아닌 숫자는 모두 유효 숫자이다. 0이 아닌 숫자 사이의 0도 유효 숫자이다. 소수에서 처음 나오는 0이 아닌 숫자 앞의 0은 자리를 나타낼 뿐 유효 숫자가 아니다(0.0052는 두 개). 곱셈과 나눗셈의 결과는 유효 숫자가 가장 적은 값에 맞추고, 덧셈과 뺄셈의 결과는 소수 자리가 가장 적은 값에 맞춘다.

계산기가 보여 주는 숫자를 모두 적으면 측정이 실제보다 정밀한 것처럼 보인다. 가령 가로 4.2 cm, 세로 3.15 cm인 카드의 넓이를 계산기로 구하면 13.23이 나오지만, 가로가 유효 숫자 두 개뿐이므로 넓이도 두 자리로 맞춘 13 \(\text{cm}^2\)이 정직한 값이다.

흩어짐 큼(우연 오차)모였지만 비켜남(계통 오차)정밀하고 정확
그림 2. 값이 서로 가까이 모이는 것(정밀도)과 참값에 가까운 것(정확도)은 다른 성질이다.

1.3.3어림으로 크기 가늠하기

정확한 측정이 어려울 때는 알고 있는 값으로 대략의 크기를 어림한다. 한 사람이 하루에 쓰는 물, 학교 운동장의 모래알 수처럼 바로 잴 수 없는 양도 단계별로 어림하면 몇 배 범위 안에서 맞출 수 있다. 이런 방법을 페르미 추정이라 한다.

1.3.4예제 풀이

예제 1.3.2

처음 질문의 다섯 측정값으로 연필 길이를 나타내어라. 또 이 연필 15자루를 일렬로 늘어놓은 길이를 유효 숫자에 맞게 구하여라.

다섯 값의 평균은 \(\dfrac{14.2 + 14.3 + 14.1 + 14.3 + 14.2}{5} = \dfrac{71.1}{5} = 14.22\)이다. 그런데 하나하나의 측정이 0.1 cm 자리까지만 믿을 수 있으므로 평균도 그 자리에 맞추어 14.2 cm로 적는다. 측정값이 14.1에서 14.3 사이에 흩어졌으니, 연필 길이는 약 \(14.2 \pm 0.1\) cm라고 쓰는 것이 측정을 정직하게 보여 준다.

15자루를 늘어놓으면 \(14.2 \times 15 = 213\) cm이다. 15는 센 수라 오차가 없으므로 유효 숫자를 줄이지 않고, 측정값 14.2의 세 자리에 맞춘다. 따라서 약 213 cm이다.

값을 어디까지 적느냐는 단순한 습관이 아니라, 그 값을 얼마나 믿을 수 있는지를 남에게 알리는 약속이다. 아래 탐구 카드에서 측정 횟수와 오차의 종류를 바꾸며 평균이 어떻게 움직이는지 직접 확인해 보자.

  1. 우연 오차만 있으면 평균의 흩어짐은 측정 횟수의 제곱근에 반비례해 줄어든다. 4배 많이 재면 평균의 흩어짐이 절반이 된다.
마무리

측정에는 매번 흩어지는 우연 오차와 한쪽으로 치우치는 계통 오차가 있고, 평균을 내면 우연 오차만 줄어든다. 측정값은 믿을 수 있는 자리, 곧 유효 숫자까지만 적는다. 그래서 처음 질문의 연필은 평균 14.22를 그대로 쓰지 않고 \(14.2 \pm 0.1\) cm로 나타내는 것이 측정의 신뢰도를 정직하게 전한다.

탐구 1

여러 번 재면 오차가 사라질까?

우연 오차 · 계통 오차 · 반복 측정
측정 횟수
0
평균 (s)
—
흩어짐 σ (s)
—
평균의 불확도 (s)
—

길이 1.000 m 진자(참값 2.006 s)를 손으로 재는 상황의 모식이다. 손이 누르는 순간의 흔들림은 한 번에 표준편차 약 0.06 s로 가정했다.

  1. 질문스톱워치로 진자의 주기를 재면 잴 때마다 값이 달라진다. 많이 재서 평균을 내면 참값에 끝없이 가까워질까?
  2. 복원평균은 값들을 모두 더해 개수로 나눈 것이다. 크게 나온 값과 작게 나온 값이 서로 상쇄되기를 기대하는 계산이다.
  3. 설명누르는 순간이 매번 조금씩 달라서 생기는 오차는 크게도, 작게도 나온다. 이런 우연 오차는 여러 번 재어 평균하면 줄어든다. 평균이 흔들리는 정도(평균의 불확도)는 σ / √N이어서, 100번 재면 한 번 잴 때의 1/10이 된다.
  4. 연결하지만 매번 같은 방향으로 치우치는 계통 오차는 평균해도 줄지 않는다. 멈춤을 늘 늦게 누르면 모든 값이 똑같이 커지고, 평균도 똑같이 커지기 때문이다. 그래서 계통 오차는 측정 방법을 바꾸거나 기구를 보정해야 줄어든다.
  5. 적용‘10번 재기’를 여러 번 눌러 분포가 모이는 곳을 보자. 그다음 ‘늦게 누르는 버릇’을 켜고 다시 재면, 평균이 참값에서 멀어진 채로 불확도만 작아진다. 마지막으로 ‘10번 왕복을 한꺼번에’를 켜면 누르는 오차가 열 번에 나뉘어 두 오차가 함께 줄어든다.
  6. 판단실제 실험에서는 참값을 모른다. 그래서 분포가 좁다고(정밀하다고) 해서 값이 맞다고(정확하다고) 말할 수 없다. 계통 오차는 다른 방법으로 잰 값과 비교할 때에야 드러나는 경우가 많다.

확인조건이 달라지면

영점이 0.3 g 어긋난 전자저울로 같은 물체를 100번 재어 평균을 냈다. 이 평균은?

탐구 2

계산기에 나온 숫자를 다 적어도 될까?

유효숫자 · 눈금 읽기 · 곱셈
계산기 값 (cm²)
—
유효숫자
—
적을 값 (cm²)
—

재는 물체는 교통카드나 학생증 같은 표준 카드(85.60 mm × 53.98 mm)이다. 눈금 자는 최소 눈금의 1/10까지 어림해 읽고, 마지막 자리는 ±1만큼 틀릴 수 있다고 보았다.

  1. 질문카드의 가로 8.56 cm, 세로 5.40 cm를 곱하면 계산기에 46.224가 나온다. 넓이를 46.224 cm²라고 적어도 될까?
  2. 복원눈금 자로 잴 때는 최소 눈금의 1/10까지 눈으로 어림해 읽는다. 그래서 mm 눈금 자로 8.56 cm라고 읽었다면 8.5까지는 확실하고, 마지막 6은 어림한 숫자이다.
  3. 설명확실한 숫자와 처음 나오는 어림한 숫자까지를 유효숫자라고 하므로, 8.56은 유효숫자 3개이다. 어림한 자리 뒤의 숫자는 재지 않은 것이므로 적으면 안 된다. 또 5.40의 끝자리 0은 ‘0까지 읽었다’는 뜻이라 유효숫자에 들어간다.
  4. 연결가로와 세로가 각각 조금씩 틀릴 수 있으니, 넓이도 한 값이 아니라 범위이고 그림 아래쪽 막대가 그 범위이다. 그 범위 안에서 바뀌지 않는 자리만 믿을 수 있다. 그래서 곱셈과 나눗셈의 결과는 유효숫자가 가장 적은 값에 맞춰 적는다.
  5. 적용가로는 캘리퍼스, 세로는 1 cm 눈금 자로 바꿔 보자. 가로를 아무리 정밀하게 재도 결과의 유효숫자는 세로에 묶여 늘지 않는다. 두 도구를 모두 캘리퍼스로 바꾸면 믿을 수 있는 자리가 함께 늘어난다.
  6. 판단숫자를 많이 적는다고 정밀해지지 않는다. 오히려 재지 않은 정밀도를 가진 척하는 셈이다. 또 덧셈과 뺄셈은 규칙이 달라서, 자릿수가 아니라 소수점 아래 자리가 가장 적은 값에 맞춘다(12.5 + 0.034 = 12.5).

확인조건이 달라지면

질량 25.0 g, 부피 3.2 cm³인 물체의 밀도를 계산기로 구하니 7.8125가 나왔다. 알맞게 적은 것은?

읽기 3

왜 온 세계가 똑같은 1 kg을 써야 할까?

읽기 · 측정 표준의 필요성

1999년, 미국의 화성 기후 궤도선이 화성 대기로 너무 깊이 들어가 부서졌다. 한 팀은 힘의 단위로 파운드힘을, 다른 팀은 뉴턴을 쓰고 있었기 때문이다. 3억 달러가 넘는 탐사선이 단위 하나 때문에 사라진 것이다. 측정 표준은 왜 이렇게 중요할까?

1표준이 없으면 생기는 일

옛날에는 지역마다 한 자, 한 되의 크기가 달라 거래에서 다툼이 잦았다. 그래서 조선 세종은 도량형을 통일했고, 1875년 미터 협약으로 세계가 같은 미터와 킬로그램을 쓰기 시작했다. 산업에서도 마찬가지여서, 나라마다 만든 부품이 서로 맞으려면 같은 길이 표준이 필요하고, 반도체 공정에서는 나노미터 차이도 불량이 된다.

안전과 건강은 더 직접적이다. 약의 용량, 방사선량, 혈중 알코올 농도는 측정이 틀리면 생명에 영향을 준다. 또 과학에서는 다른 실험실의 결과를 비교하고 재현하려면 같은 단위와 표준이 있어야 한다.

2물건에서 자연의 상수로

1889년부터 130년 동안 1 kg은 프랑스에 보관된 백금-이리듐 원기의 질량이었다. 그런데 원기는 세월이 지나며 복사본과 수십 μg씩 차이가 벌어졌다. 그래서 2019년부터는 7개 기본 단위를 모두 플랑크 상수, 빛의 속력, 세슘 원자의 진동수 같은 자연의 상수로 정의한다. 이제 원기가 없어도 어느 나라에서나 같은 1 kg을 만들 수 있다. 우리나라는 한국표준과학연구원이 국가 측정 표준을 유지한다.

판단표준은 한 번 정하면 끝나는 것이 아니라, 측정 기술이 발전하면 더 정확하고 누구나 재현할 수 있는 정의로 바뀌어 왔다. 그래서 “왜 굳이 단위를 통일해야 하나”라는 질문에는 편리함뿐 아니라 신뢰, 안전, 공정한 거래라는 근거를 들 수 있다.

확인조건이 달라지면

킬로그램을 원기(물건)가 아닌 플랑크 상수로 다시 정의한 가장 큰 까닭은?

탐구 4

길이·시간·질량·온도 중 가장 정밀하게 잴 수 있는 것은?

실험 · 측정 도구 · 분해능과 상대 오차

상대 표준편차는 표준편차를 평균으로 나눈 값으로, 측정 단위가 달라도 이 값으로 정밀도를 비교할 수 있다. 값이 다섯 번 모두 같으면 흩어짐이 분해능보다 작다는 뜻이라 분해능 ÷ √12로 어림했다. 앱 측정은 스마트폰의 가속도 센서(낙하 시간)와 카메라 사진 분석(길이)을 쓴다고 보았다.

  1. 탐구 문제자, 초시계, 전자저울, 온도계는 모두 눈금이나 숫자로 값을 보여 준다. 네 가지 기본량을 같은 횟수로 재면 어떤 측정이 가장 믿을 만할까? 단위가 다른 측정값의 정밀도는 어떻게 비교할까?
  2. 복원측정 도구가 구별할 수 있는 가장 작은 차이를 분해능이라고 하고, 측정값은 분해능 자리까지 적는다. 또 같은 것을 여러 번 재면 값이 흩어지는데, 이 흩어짐이 작을수록 정밀한 측정이다.
  3. 설계그래서 대상마다 다섯 번씩 재서 평균과 표준편차를 구한다. 그런데 길이(cm), 시간(s), 질량(g), 온도(°C)는 단위가 달라 표준편차를 바로 비교할 수 없으므로, 평균에 대한 비율인 상대 표준편차로 비교한다.
  4. 분석전자저울은 동전 질량을 0.01 g까지 거의 같은 값으로 보여 준다. 반면 손으로 누르는 초시계는 사람의 반응 시간(약 0.1 s) 때문에 짧은 낙하 시간에서 상대 오차가 가장 크다. 즉 도구의 분해능이 높아도 측정 방법이 정밀도를 결정하기도 한다.
  5. 측정네 가지를 다섯 번씩 재고, 아래 요약 표에서 상대 표준편차를 비교해 보자. 그다음 "스마트폰 앱"을 켜고 시간과 길이를 다시 재면, 사람 손이 빠진 시간 측정이 가장 많이 좋아진다.
  6. 오차·안전스마트폰 센서의 숫자가 소수점 아래 여러 자리까지 나와도 그만큼 정확한 것은 아니다. 센서도 보정이 틀어질 수 있으므로 자, 기준 추, 얼음물 0 °C처럼 알고 있는 기준으로 한 번 확인하고 쓴다.

확인정밀도 비교

A: 연필 길이 17.42 cm ± 0.05 cm, B: 낙하 시간 0.45 s ± 0.05 s. 두 측정의 정밀도를 바르게 비교한 것은?

탐구 5

모두가 자기 발걸음으로 재면 무슨 일이 생길까?

측정 표준 · 기준 설계 · 측정값의 퍼짐
기준
평균
—
퍼짐 (표준편차)
—
가장 큰 값 − 가장 작은 값
—

교실 길이 참값은 9.00 m이다. 걸음 폭은 사람마다 평균 0.65 m, 표준편차 0.07 m로 다르게 했고, 막대와 끈에는 본뜰 때마다 생기는 차이와 이어 대며 재는 오차를 넣었다.

  1. 질문옷을 인터넷으로 사고, 다른 나라에서 만든 부품으로 자동차를 조립하고, 기록을 다른 경기장 기록과 비교한다. 이런 일은 모두 "1 m"가 어디서나 같아야 가능하다. 기준이 없으면 어떤 일이 생길까?
  2. 복원측정은 재려는 양을 정해진 기준량과 비교해 몇 배인지 수로 나타내는 일이다. 그 기준량이 단위이고, 단위를 누구나 똑같이 쓸 수 있게 정해 놓은 것이 측정 표준이다.
  3. 설명옛날에는 팔 길이(척), 발 길이(피트), 걸음처럼 몸을 기준으로 삼았다. 편하지만 사람마다 달라 같은 물건도 재는 사람마다 다른 값이 나왔다. 그래서 나라마다 원기(기준 물체)를 만들어 복사본을 나눠 주었고, 지금은 빛의 속력처럼 변하지 않는 자연 상수로 단위를 정의한다.
  4. 연결기준이 정밀할수록 측정값의 퍼짐이 줄어든다. 다만 퍼짐에는 기준의 차이뿐 아니라 이어 대기와 눈금 읽기처럼 재는 방법의 오차도 섞인다. 그래서 좋은 측정 표준은 정확하고, 누구나 다시 만들 수 있으며(재현성), 시간이 지나도 변하지 않아야 한다.
  5. 적용네 가지 기준으로 차례로 재 보고, 퍼짐이 얼마나 줄어드는지 비교해 보자. 또 식품 영양 성분표의 "1회 제공량", 소음의 dB, 미세먼지 "나쁨" 기준처럼 생활 속 표준을 하나 골라, 그 기준이 없으면 어떤 다툼이 생길지 생각해 보자.
  6. 판단"평균만 맞으면 좋은 기준"은 아니다. 각자의 걸음으로 잰 평균이 우연히 9 m에 가까워도, 한 사람 한 사람의 값은 1 m 넘게 달라서 서로의 측정을 믿을 수 없다. 그래서 기준을 새로 설계할 때는 평균(정확도)과 퍼짐(정밀도)을 함께 따져야 한다.

확인좋은 기준

1983년 이후 1 m는 "빛이 진공에서 1/299 792 458초 동안 가는 거리"로 정의한다. 금속 막대(미터 원기)보다 나은 점으로 가장 알맞은 것은?

탐구 6

운동장의 모래알은 몇 개일까?

어림 · 페르미 추정 · 크기의 자릿수
모래알 수 (어림)
—
자릿수
—
가장 크게 흔드는 요소
—

모래알을 같은 크기의 공으로 본 모식이다. 모래는 지름 0.0625~2 mm인 알갱이를 말한다. 막대는 각 요소를 ‘그럴듯한 범위’의 양 끝으로 바꿀 때 결과가 몇 배 달라지는지이다.

  1. 질문운동장 겉흙 속 모래알을 하나씩 셀 수는 없다. 그래도 ‘대략 몇 개’인지는 말할 수 있을까?
  2. 복원개수는 전체 부피를 알갱이 하나의 부피로 나눈 것이고, 공의 부피는 (π/6) d³이다. 또 알갱이 사이에는 빈틈이 있으니, 전체 부피 가운데 알갱이가 차지하는 비율(약 0.6)을 곱한다.
  3. 설명그래서 N = 넓이 × 깊이 × 비율 ÷ ((π/6) d³)이다. 이렇게 모르는 양을 아는 양, 또는 어림할 수 있는 양으로 쪼갠 다음 곱하는 방법을 페르미 추정이라고 한다. 목표는 정확한 값이 아니라 자릿수, 곧 10의 몇 제곱인지이다.
  4. 연결각 요소를 조금씩 틀리게 어림해도, 어떤 것은 크게 어떤 것은 작게 틀려 서로 상쇄되기도 한다. 다만 세제곱으로 들어가는 요소는 다르다. 지름을 2배 틀리면 결과는 8배 틀린다.
  5. 적용막대를 하나씩 움직여 보자. 넓이를 2배로 해도 자릿수는 거의 그대로인데, 지름은 조금만 바꿔도 자릿수가 바뀐다. 그래서 더 정확한 답을 원한다면 지름부터 실제로 재야 한다는 것을 그림 아래쪽 막대가 알려 준다.
  6. 판단어림값은 틀린 값이 아니라 범위가 있는 값이다. ‘약 6×10¹²개’보다 ‘10¹¹~10¹⁴개 사이’가 더 정직한 답일 때도 있다. 어림의 가치는 숫자 자체보다, 무엇이 결과를 좌우하는지 알게 해 주는 데 있다.

확인조건이 달라지면

같은 운동장에 모래 대신 지름이 10배 큰(약 5 mm) 자갈이 깔려 있다면, 알갱이 수는 대략 어떻게 될까? (나머지 조건은 같다)

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