실험 측정값과 참값(이론값) 사이의 오차를 분석합니다. 최대 10개 측정값의 절대오차, 상대오차, 백분율오차를 계산하고 시각화합니다.
과학 실험과 공학 측정에서 오차 분석은 필수적입니다. 절대 오차(Absolute Error)는 측정값과 참값(이론값 또는 표준값) 사이의 차이를 나타내며, EA = |측정값 - 참값|으로 계산됩니다. 예를 들어 참값이 100g인 물체를 측정하여 98g을 얻었다면, 절대 오차는 |98 - 100| = 2g입니다. 상대 오차(Relative Error)는 절대 오차를 참값으로 나눈 값으로, ER = |측정값 - 참값| / |참값|입니다. 위 예시에서 상대 오차는 2 / 100 = 0.02입니다. 백분율 오차(Percent Error)는 상대 오차에 100%를 곱한 값으로, E% = 0.02 × 100% = 2%입니다. 일반적으로 실험에서 5% 이하의 오차는 우수, 10% 이하는 양호로 평가됩니다.
동일한 대상을 여러 번 측정하면 우연 오차(random error)로 인해 값이 달라집니다. 참값이 50.0mL인 액체를 5번 측정하여 49.8, 50.2, 49.9, 50.3, 50.1mL를 얻었다면, 각 측정의 절대 오차는 0.2, 0.2, 0.1, 0.3, 0.1mL입니다. 평균 절대 오차(MAE)는 모든 측정의 절대 오차를 평균한 값으로, MAE = (0.2 + 0.2 + 0.1 + 0.3 + 0.1) / 5 = 0.18mL입니다. MAE는 측정 시스템의 전반적인 정확도를 평가하는 지표로, 값이 작을수록 정밀한 측정 시스템입니다. 측정 횟수를 늘리면 평균값은 참값에 수렴하며, 표준편차는 √n에 반비례하여 감소합니다.
덧셈/뺄셈 규칙: z = x ± y일 때, z의 절대 오차는 δz = √(δx² + δy²)입니다. 예: x = 10.0 ± 0.2cm, y = 5.0 ± 0.1cm이면, z = 15.0cm이고 δz = √(0.2² + 0.1²) ≈ 0.22cm입니다. 곱셈/나눗셈 규칙: z = x × y 또는 z = x / y일 때, z의 상대 오차는 δz/|z| = √[(δx/|x|)² + (δy/|y|)²]입니다. 거듭제곱 규칙: z = xⁿ일 때, δz/|z| = |n| × (δx/|x|)입니다. x = 10.0 ± 0.2cm, z = x³ = 1000cm³일 때, δz/z = 3 × 0.02 = 0.06 (6%), δz = 60cm³입니다. 거듭제곱은 오차를 크게 증폭시키므로 주의가 필요합니다.
유효 숫자(Significant Figures)는 측정의 정밀도를 나타내는 숫자입니다. ① 0이 아닌 모든 숫자는 유효합니다(123 → 3개). ② 0이 아닌 숫자 사이의 0은 유효합니다(1002 → 4개). ③ 소수점 이하의 끝자리 0은 유효합니다(1.20 → 3개, 1.2 → 2개). ④ 정수의 끝자리 0은 애매합니다(1200은 2개 또는 4개). 계산 규칙: 덧셈/뺄셈에서는 가장 적은 소수점 자리수에 맞춥니다(12.3 + 1.2345 = 13.5). 곱셈/나눗셈에서는 가장 적은 유효 숫자 개수에 맞춥니다(4.56 × 1.4 = 6.4).
계통 오차(Systematic Error)는 측정 시스템의 결함으로 인해 한 방향으로 일관되게 발생하는 오차입니다. 예를 들어 저울이 항상 +2g 높게 측정하는 경우입니다. 계통 오차는 측정을 반복해도 평균값이 참값에 수렴하지 않으며 정확도(Accuracy)를 떨어뜨립니다. 교정(calibration)으로 줄일 수 있습니다. 우연 오차(Random Error)는 예측 불가능한 요인으로 무작위로 발생하며, 측정을 반복하면 평균값이 참값에 가까워집니다. 우연 오차는 정밀도(Precision)에 영향을 미치며 측정 횟수를 늘리면 줄일 수 있습니다. 이상적인 측정은 정확하고 정밀한 결과를 얻는 것입니다.