이 수업은 지수함수, 로그함수, 쌍곡선함수를 다루는 단원을 연다. 단원의 여섯 수업과 각 수업이 증명하는 내용을 소개하고, 아르키메데스가 어렴풋이 보고 슈티펠이 정리한 수열 사이의 대응에서 네이피어와 뷔르기의 로그, 야코프 베르누이와 오일러의 수 e, 리카티와 람베르트의 쌍곡선함수에 이르는 이 개념들의 역사를 살펴본다. 또 이들을 낳은 문제, 곧 곱을 합으로 바꾸는 문제를 정식화하여 두 개의 함수방정식으로 옮기고, 마지막으로 이 함수들이 이 강좌의 후속 강좌, 사이트의 다른 강좌, 그리고 과학에서 차지하는 자리를 기술한다.
학습 목표
단원의 각 수업의 내용과, 실수 지수의 거듭제곱에서 쌍곡선함수까지 수업들이 이어지는 논리적 순서를 기술한다.
로그의 발명, 수 e의 발견, 쌍곡선함수의 도입을 그 역사적 맥락 속에 놓고, 각각을 이끈 실용적 문제를 밝힌다.
곱을 합으로 바꾸는 문제를 방정식 L(xy)=L(x)+L(y) 및 f(x+y)=f(x)f(y)로 나타내고, 그 해가 왜 실수 지수를 필요로 하는지를 슈티펠의 표로 설명한다.
이 함수들의 응용을 대수학과 기하학 II 강좌, 다른 강좌들, 그리고 물리학, 화학, 생물학, 금융, 정보과학에서 알아본다.
입문 평가
단원을 공부하기 전에, 점수와는 상관없이, 출발점을 재어 보는 것이 좋다. 처음 열 문항은 단원의 여섯 내용 수업을 다룬다. 나머지 수업들이 기대는 세 수업(실수 지수의 거듭제곱, 수 e, 방정식)에 각각 두 문항, 로그 수업에 한 문항, 쌍곡선함수 수업에 한 문항, 모형 수업에 두 문항이며, 모형의 두 번째 문항은 자료로부터 모형을 세우기를 요구한다. 같은 기능은 마지막 종합 수업에서 다시 잰다. 마지막 세 문항은 이 단원이 수 체계에 관한 단원과 평면 해석기하학에 관한 단원에서 이미 안다고 전제하는 것을 확인한다. 틀린 답은 저마다 머물러야 할 수업을 가리킨다.
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문제 1함수 f(x)=2−3x+1의 치역은 무엇인가?
3x+1의 치역을 평행이동하기만 하고 마이너스 부호를 고려하지 않았다. 이 부호는 그래프를 x축에 대하여 대칭이동하여 양수 값을 음수 값으로 바꾼다.
x=0에서의 값을 치역의 끝으로 잡으면 얻는 답이며, 그 값은 2−3=−1이다. 그러나 함수는 감소하므로, x가 음수일 때 −1보다 큰 값을 취하고 점점 2에 가까워진다.
지수함수는 음수 값도 영도 취하지 않으므로, 2−3x+1은 값 2에 결코 이르지 않고 그 값을 넘지도 않는다.
거듭제곱 3x+1은 모든 양수 값을 취하고, 양수 값만 취한다. 부호를 바꾸면 모든 음수 값을 얻고, 2를 더하면 2보다 작은 모든 실수를 얻는다. 직선 y=2는 그래프가 닿지 않는 수평 점근선이다.
실수 지수에서도 성립하는 거듭제곱의 거듭제곱 정리에 의해 결과는 22⋅8=216=24=16이다. 232를 얻었다면 지수를 곱하지 않고 더한 것이다. 2+8=32이기 때문이다. 210을 얻었다면 두 번째 오류, 곧 근호 안의 수를 더하는 오류까지 범한 것으로, 마치 2+8의 값이 10인 것처럼 다룬 것이다.
문제 9세균 배양에서 센 개체 수를 반로그 그래프에 적으면 한 직선 위에 놓이고, 그 직선은 세균 300마리(2시간 시점) 및 세균 2400마리(8시간 시점)에 대응하는 점을 지난다. 모형에 따르면 배양을 시작할 때 세균은 몇 마리였는가?
정답: 150
반로그 그래프에서 한 직선 위에 놓이는 자료는 선형화 정리에 의해 모형 Cekt을 따른다. 6시간 동안 개체 수가 3002400=8=23배가 되므로, 2시간마다 두 배가 된다. 2시간을 거슬러 올라가면(2시간 시점에서) 개체 수는 2로 나누어진다. 곧 2300=150이다. 음수를 얻었다면 자료를 잇는 직선을 보통 눈금에서 연장한 것으로, 마치 증가가 선형인 것처럼 다룬 것이다. 275를 얻었다면 6시간을 거슬러 올라간 것이며, 2시간이 아니다.