Математичні парадокси

Словник / Експоненційне зростання

Словник · експоненційне зростання

Скільки рису ляже на останню клітинку шахівниці?

За старою легендою, винахідник шахів попросив у правителя скромну нагороду: одне зернятко на першу клітинку дошки, два на другу, чотири на третю, і так далі, щоразу вдвічі більше. Правитель засміявся з такої дрібниці. Здається, що там вийде кілька мішків. Експоненційне зростання — це коли величина щоразу множиться на те саме число, і саме його інтуїція недооцінює найсильніше.

На пальцяхкартинки, аналогії, маленькі числа

Шар «На пальцях» приховано на всіх задачах.

Парадокс шахівниці

Рухайте повзунок клітинка за клітинкою. Яскравість кожної клітинки показує, скільки на ній рису порівняно з поточною. Подивіться, що відбувається з попередніми клітинками, коли ви йдете далі.

На цій клітинці–
Разом на дошці–

З якої клітинки рису на ній одній більше, ніж:

    Зернятко рису важить близько 20 мг: у кілограмі їх приблизно 50 тисяч.

    Остання клітинка важча за всю історію

    На 64-й клітинці 263 ≈ 9,2 · 1018 зерен, тобто приблизно 184 мільярди тонн. Світ нині збирає за рік трохи більше ніж пів мільярда тонн очищеного рису. Отже, остання клітинка — це врожай усієї планети приблизно за 350 років. За всю історію людство стільки рису не виростило: від 1961 року, відколи ФАО веде облік, зібрано близько 33 мільярдів тонн рису-сирцю, ще в лушпинні, а раніше врожаї були значно менші.

    • Початок завжди обманюєПерша половина дошки — це кілька вантажівок рису. Здається, що росте повільно. Але множення на 2 не прискорюється, воно просто однакове, і саме тому числа вибухають.
    • Кожна клітинка більша за всі попередніНа будь-якій клітинці на одне зерно більше, ніж на всіх попередніх разом. Тому все, що було раніше, на повзунку тьмяніє до невидимого.
    Строготаблиці, графіки, формули

    Шар «Строго» приховано на всіх задачах.

    Сталий темп, стале подвоєння

    Експоненційне зростання — це коли за однакові проміжки часу величина збільшується в однакову кількість разів, тобто на однаковий відсоток. Звичайне, лінійне зростання щоразу додає те саме число. Експоненційне щоразу множить на те саме число.

    Приклад: внесок під 10% на рік

    Покладіть 10 000 гривень під 10% річних і щороку залишайте відсотки на рахунку. Кожен рік сума множиться на 1,1. Скільки треба чекати, щоб вона подвоїлася?

    1,1T = 2 → T = ln 2 / ln 1,1 ≈ 7,27 року

    І це однаково для будь-якої суми: 10 000 стають 20 000 за 7,27 року, 20 000 стають 40 000 за наступні 7,27 року, і так далі. Сталий відсоток означає сталий час подвоєння. За 30 років вийде 10 000 · 1,130 ≈ 174 494 гривні. Якби відсотки щороку забирали, а не додавали до суми, було б лише 10 000 + 30 · 1 000 = 40 000.

    Тисяча щодня чи копійка, що подвоюється?

    Вам пропонують на вибір: щодня отримувати по 1 000 гривень або отримати 1 копійку сьогодні, 2 завтра, 4 післязавтра й так далі. Рухайте повзунок днів і перемикайте шкалу. Що таке логарифмічна шкала і чому на ній експонента стає прямою, пояснено в статті про логарифм.

    По 1 000 щодня, разом–
    Копійка, що подвоюється, разом–

    Три тижні лінійна пропозиція виграє з величезним відривом: на 20-й день у неї 20 000, а в копійки 10 485,75. На 22-й день копійка вже попереду. На 30-й у неї понад 10,7 мільйона, а в тисячі щодня — лише 30 000.

    Експоненти навколо нас

    • Складні відсоткиВідсотки нараховуються і на відсотки, тому сума росте на сталий відсоток. Так само працюють і борги: кредит під 30% річних подвоюється приблизно за 2,6 року.
    • Віральний дописЯкщо кожен, хто побачив допис, за годину показує його двом новим людям, то за 33 такі кроки нових глядачів стане 233 ≈ 8,6 мільярда. Це більше, ніж людей на Землі. Отже, задовго до того зростання мусить загальмувати.
    • БактеріїКишкова паличка в ідеальних умовах ділиться приблизно раз на 20 хвилин. За добу це 72 подвоєння: з однієї клітини вийшло б 272 ≈ 4,7 · 1021 клітин, близько 4 700 тонн. Насправді в пробірці ріст зупиняється вже за кілька мільярдів клітин на мілілітр.

    Чому експонента завжди зупиняється

    Експоненційне зростання триває, поки кожен новий шматочок росте так само вільно, як перші. Бактеріям вистачає їжі, допис ще знаходить людей, які його не бачили. Але будь-який ресурс скінченний. Що більше його зайнято, то повільніше ріст, і крива з вибуху перетворюється на літеру S: спершу майже експонента, потім вигин і вихід на стелю. Таку криву називають логістичною. Небезпека в тому, що на початку S-крива й експонента однакові, і з перших даних не видно, де буде стеля.

    Як розпізнати експоненту

    • Ріст пропорційний розміруЯкщо нове народжується з наявного (гроші з грошей, клітини з клітин, перегляди з переглядів), чекайте експоненту.
    • Питайте про час подвоєння«Плюс 3% на місяць» звучить скромно, але це подвоєння приблизно за 23 місяці. Час подвоєння краще передає масштаб, ніж відсоток.
    • Не продовжуйте криву навманняБудь-яка експонента колись упирається в стелю. Прогноз «так буде й далі» на роки вперед майже завжди хибний.
    • Але й не чекайте стелі завтраПоки зайнята мала частка ресурсу, гальмування непомітне. Ранні дані не підкажуть, скільки ще подвоєнь лишилося.
    Глибшеузагальнення, теорія, історія

    Шар «Глибше» приховано на всіх задачах.

    N₀ · 2t/T = N₀ · ert

    N(t) = N₀ · 2t/T = N₀ · ert,   r = ln 2 / T,   T = ln 2 / r

    Це два записи тієї самої кривої. Перший рахує подвоєння: за час t їх відбувається t / T. Другий використовує основу e і швидкість росту r. Якщо за крок величина зростає на p (наприклад, 10% = 0,1), то r = ln(1 + p), а час подвоєння T = ln 2 / ln(1 + p). Звідси й «правило 70» зі статті про логарифм: для малих p маємо ln(1 + p) ≈ p, тож T ≈ 0,693 / p ≈ 70 / p%.

    Швидкість r = ln(1 + p)–
    Час подвоєння T = ln 2 / r, кроків–

    –

    Чому клітинка важча за всі попередні

    S = 1 + 2 + 4 + … + 2n−1,   2S − S = 2n − 1

    Помножте суму на 2: кожен доданок зсувається на клітинку вперед. Віднявши від подвоєної суми звичайну, ви скоротите все, крім 2n і 1. Отже, на перших n клітинках разом 2n − 1 зерен, а на наступній, (n + 1)-й, — 2n, рівно на одне більше.

    Для клітинки з повзунка вище: –

    Логістична крива

    експонента: dN/dt = rN · логістична: dN/dt = rN (1 − N/K)

    N(t) = K / (1 + (K/N₀ − 1) · e−rt)

    Експонента — це ріст, швидкість якого пропорційна розміру. Логістична модель додає гальмо: множник 1 − N/K, частку ресурсу, що ще вільна. Поки N мале порівняно зі стелею K, гальмо майже не діє. Порівняйте обидві криві на прикладі допису, який щогодини подвоює кількість глядачів, починаючи з одного. Стеля — кількість людей, яким він узагалі може трапитися.

    Криві розходяться на 10% о годині–
    Зайнята частка стелі в цей момент–

    Відношення двох кривих дорівнює 1 + N₀(ert − 1)/K. Тож експонента обганяє логістичну криву на 10%, щойно сама перевищить десяту частину стелі, хоч якою б та була. До цього моменту за даними їх не розрізнити.

    Де це трапляється

    Інші терміни