在数学的学习过程中,我们总是遇到各种常数:π、√2、e...,其中π是圆周率,即一个圆的周长和它的直径之比;√2是毕达哥拉斯常数,有一种认识就是√2是两个直角边都为1的直角三角形的斜边长度。

对于前两个数,我们大多数人都有很直观的理解,对于e我们在高中阶段的指数函数部分也接触过,并且知道它的值是2.718...可是这个e到底是如何引出的呢,是否具有一些具体的数学含义?

我们先看一个数学问题:小明向银行存入1元,年利率为100%(这里的本金和利率只是一种理想的数学模型),那样一年后小明的本金加利息一共是2元。现在我们换一种计算方式:半年的利率减少为50%,则半年的利息为0.5元,半年结一次帐,这样一年后的本金加利息就是1.5×1.5=2.25元,小明得到的钱比结一次账要多。那么一年结账 3次、4次...呢?

我们试着计算一下结账3次后的钱是:(1 1/3)^3=2.37...

结账4次之后的钱是:(1 1/4)^4=2.44...

这样看来,随着结账次数的增加得到的钱似乎真的是越来越多呢,那是不是意味着我们只要不但把次数增加,就可以用1元的本金换取无穷的钱呢?

我们把结账次数直接增加到1000,看看会发生什么:(1 0.0001)^1000=2.71692....

“怎么会这么小呢,”你可能会这样嘀咕道,当次数为1000的时候,钱也没有超过3,这似乎有点不符合我们的认识,这又是怎么回事呢?可能已经有人发现问题了,尽管次数越来越大,得到的钱也越来越多,但是这个钱似乎是有上限的,它总是小于某一个数的。跟这一种情况类似的就是无限循环小数2.9(9循环),虽然小数点后位是不断增大的,但它永远小于3。可见,在有些单调递增的过程中,函数值可以无限大,而有的过程却是存在上界的。关于这个存在上界的数学过程,还有一个很有名的“芝诺的乌龟”的故事,笔者在这里就不深入说明了,有兴趣的读者可以自行去了解一下。

在数学中,我们引入极限的概念来严格描述这种趋近却又无法达到的情形,例如2.9循环的极限就是3。而对于上述银行存款的问题,我们定义了当x趋于无穷时(1 1/x)^x的结果就是e,自然对数的底由此诞生了。

知道了它的由来后,你可能会想问那么这个e有什么用处呢,不就是一个无理数吗?下面笔者来简单说明和介绍一些与e相关的数学公式。

1.欧拉公式


自然对数底e是怎么由来的(自然对数的底e与极限)(1)

欧拉公式的典型形式

最完美的数学式,将e、 π、i和1组合在了一起,揭示了指数函数与三角函数、复数之间的关系。

2.高斯分布


自然对数底e是怎么由来的(自然对数的底e与极限)(2)

正态分布的概率密度表达式

其中a是独立变量的数学期望,σ是标准差,根据中心极限定理,任何大量的独立变量之和都趋于正态分布,而在物理学中很多分布也和正态分布有着密切的联系,比如大名鼎鼎的玻尔兹曼分布。

下一期重点介绍一下指数函数和它的应用。

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