常数e由来(常数e是个什么玩意)(1)

相信每一位高中生都会遇见“e”这个东西,这是个什么玩意?大多数学生都会困惑,并且这种困惑可能会伴随你的高中三年甚至更久。

遥想当初接触“e”的概念,“e是自然对数的底数”,那么什么是自然对数呢?得到的解释是“自然对数是以e为底的对数函数,e是个无理数,约等于2.718281828…”,这算什么定义?“鸡的旁边是鸭,鸭的旁边是鸡”么,用这样的循环定义根本就没有说明e是各什么东西嘛,也难怪我们要糊涂了,更让我们无法理解的是把这样的数作为底数,弄出来的对数居然很“自然”,相信更多的人要崩溃了。

当上数学教师,不想把这样的迷糊传下去,通过查阅资料,上网查询,逐渐明白“e”这个东西是个什么东西了。

首先我们讲一个发生在万恶的旧社会的故事:一位农民向地主恶霸接了1两银子,期限一年,地主将收取100%的利息,这样的话,一年后农民需要偿还地主(1 100%)=2两银子,可是贪婪的地主并不满意这个结果,于是他改为复利计算,也就是恐怖的“利滚利”,把一年期的年利率拆成两个半年期利率,50%,中间计算一期的复利,那么一年后到手里的钱为:(1 50%)×(1 50%),也就是2.25两银子;可是仍然达不到地主的满意,再狠一点,按照季度计算复利,那么就会得到钱为:(1 25%)×(1 25%)×(1 25%)×(1 25%),大约为2.44两银子。再狠一点,按照月计算复利,那么就会得到钱为:(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12),大约为2.61两银子。这个时候地主看上农民的姑娘喜儿了,于是打起了如意算盘,如果再分细点,得到的更多,就可以把这个喜儿弄到手了。把这个复利计算过程继续细分下去,按天算,按小时,按分,按秒计算复利,可是地主失望地发现,无论怎么细分下去,最后的获利只能无限地接近某个数,这个数就是e,大约为2.7182818。

也就是说什么是e,e就是增长的极限。

为什么用e来表示这个数,数学史上说法不一,实际上e就是NB的大数学家欧拉通过这个极限而发现的,它是个无限不循环小数,其值等于2.71828……。以e为底的对数叫做自然对数,用符号“ln”表示。

为什么欧拉会选择e来表示这个常数,更多的人接受的说法有三个:一是在a,b,c,d等四个常被使用的字母后面,第一个尚未被经常使用的字母就是e,所以,他很自然地选了这个符号,代表自然对数的底数;二是e是“指数”一词英文的第一个字母,虽然你或许会怀疑瑞士人欧拉的母语不是英文,可事实上法文、德文的“指数”都是它。究竟e的来历是什么?当然还有第三个是说欧拉之所以选这个字母,是因为这是他自己名字Euler的首字母,不过我对这一猜测不认同,因为欧拉是一个很谦虚很低调的人,总是肯定他人的工作,所以他不可能把这个伟大的发明“据为己有”的。所以选择e来表示这个常数至今仍然是个谜,有兴趣的同学可以研究一下,说不定下一个菲尔兹奖就是你。

有必要提一下的是数学中有一个阶乘的概念,用“n!”表示。理科生比较熟悉,譬如:3!=3×2×1,4!=4×3×2×1。(想起一个笑话,在这里穿插以下,40-32÷2=? 小学生回答“4!” 文科生:“哈哈,答错了吧。” 理科生:“哟,答得不错啊!”)。于是就会出现一个“伟大”的公式:

常数e由来(常数e是个什么玩意)(2)

这样的话,似乎就可以把e和“自然”联系起来了,尽管只有一毛钱的关系。

另外,e很可能是正规数和合取数,也就是说每个数字显示出随机分布,且每个数字出现机会均等的,并且你能够想象出来的任何组合,从e的某一位起都可以找到,当然这只是猜测,有兴趣的同学可以证明一下。

最后说一个关于e的一个很高大上的结论:因为e的本质含义就是增长的极限。借助于这个特点,任意一个大于2的正自然数,请你把它随意分解成若干个数之和,并把这些数乘在一起,问哪种分解方法分出来的数得到的乘积最大。答案就是尽量分成这个数除以e以后得到的份数,并且每份的大小尽量接近,这样的乘积就最大。举个例子整数10。10/e 大约等于3.68,所以应该把10分成4份,而每份又要比较接近,所以可分为2,2,3,3,乘积为36。除此之外,其他的各种分法得到的乘积都超不过这个数。

正是因为e是累计增长极限,所以决定了以e为底的指数函数所代表的增长方式最“自然”,或许这才是被称为自然对数的底数真正的由来。

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