微积分中的e

估计会有人说:我不懂微积分,估计看不懂!

没关系!你可以这样理解,积分是升维的过程,微分是降维的过程。

例如

把一张张纸叠起来变成厚厚的词典,这是从2维变成3维的升维,这是积分;

把一大块羊肉,切成一片片羊肉片,就是从3维为变2维的降维,这是微分。

在微积分中,底数为e的指数函数

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(1)

,导数还是这个函数

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(2)

,也就是不论求多少次导数,其导数就像一个常量一样永远是恒定的。不知道别人的感觉如何,反正我第一次知道时是很惊奇的。

举个例子:

西瓜都切过吧?

无论你怎么切一个实心球,其横截面都是圆面,也就是3维降2维,还是和圆有关。

2维的圆面也是有很多1维的同心圆组成,也就是2维降1维,还是和圆有关。

无论如何降维,它总是老样子,一点儿都没变!

就好像你切掉孙悟空的一部分,你以为是一小片肉,睁眼一看,居然是另一个孙悟空,而且一样大!

这种自相似或全息性太匪夷所思、太好玩儿了!

下面就是它在直角坐标系中的样子

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(3)

美妙的螺线

在上面的部分中,它的美并没有真正的体现出来。让我们换一个视角看,你一定会大吃一惊。

我们知道二维坐标系除了直角坐标系外,还有一种常用的是极坐标系。

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(4)

我们把指数函数

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(5)

换成极坐标,就变成了

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(6)

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(7)

是点与极轴的夹角。

这时的指数函数就会变成下图的样子,这个螺线叫对数螺线,又叫等角螺线。

之所以叫等角螺线,是因为在极坐标中,螺线和射线的夹角始终是一个固定夹角,如下图所示,蓝线每次穿过射线时,其夹角是固定的,也就是等角,我们在后面会用到这个等角特性。

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(8)

有人会说:等等!我好像在哪里见过这东西?

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(9)

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(10)

不对,这个图,好像有什么东西乱入了...

这就是人体曲线,啊不,是斐波那契螺线,网上很流行玩这种摄影,都快被玩坏了。

斐波那契数列就是1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89……这样的数列。

其特点是前两个数加起来就是下一个数,例如

1 1=2

1 2=3

2 3=5

……

34 55=89

……

用这些数画出来的半圆,可以拼接成下面的螺线形状,这就是斐波那契螺线。

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(11)

套用在美女图片上就可以这样玩,虽有过度解读之嫌,但可以获得极好的传播效果。

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(12)

有趣的是这个数列还和黄金比例有关,例如55/34≈1.6176,接近黄金分割比例1.618,数列的数字越到后面,结果就越趋近于黄金分割这个无理数,如下图

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(13)

不过斐波那契螺线仅仅是对一种叫黄金螺线的近似,黄金螺线是一种内涵黄金分割比例的对数螺线

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下图红色的才是黄金曲线,绿色的是“假黄金螺线”(斐波那契螺线),近似却不重合。

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(15)

很多科学家发现对数螺线

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在自然界中广泛存在。从大如星系、台风,到小如花朵、海螺……宇宙中到处都是对数螺线的身影

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(17)

原来e以这种特殊的方式隐藏在自然之中。需要注意的是,这不是e被称为自然底数的原因,这和大自然没太大关系。

好了!啰嗦结束,下面开始讲为什么叫自然底数了。

对数的底数

对数中最常用的底数是10、2和e

因为我们使用10进制,数量级和科学计数法也是10的倍数,例如阿伏伽德罗常数6.02*10的23次方。所以

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(18)

逆运算,以10为底的对数 lg x最常用、最方便,所以又称常用对数。

10进制是数字表示法中最容易普及的,根源是我们有10个手指,人们初学数字时都喜欢借助10个手指学习1、2、3……10。到了学加减运算时,更是喜欢借助手指计算。不仅老师认为这样教学直观,学生也认为这样练习方便。通过教育,这个强大的习惯,被最广泛的传播和固化下来。但如果是8个腕足的章鱼发展出了文明,可能更喜欢8进制。

为什么要以2为底数?

因为2倍或成倍式的增长,即

数学中的底数和指数是什么(数学里的e为什么叫做自然底数)(19)

,是我们日常中最简单的指数式增长。我们经常说数量成倍、翻倍、翻番、翻两番,都是2倍率的增长。

你可能也发现了,前面的存款例子实际上都是它,因为这样的例子最容易理解。所以它的逆运算,底数为2的对数 lb x 也会比较常见。

虽然对数的底数2和10是人们使用体验和认知体验最好的对数,但是在数学中,这两个数却是不自然的,因为都是在方便人的需要。

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