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你知道數(shù)學里的自然常數(shù)e嗎?看數(shù)學大神歐拉是如何解決的!

 cdzlh 2022-03-31

在數(shù)學領域,有很多比較有趣的常數(shù),這些常數(shù)的來歷一般都經(jīng)歷過一場波瀾壯闊的數(shù)學進化史。比如我們之前說過的圓周率π,這個數(shù)比較常見,小學階段就能遇到。

而今天我們將要科普的是自然常數(shù)e,這個常數(shù)非常重要,它和π一樣,是一個無限且不循環(huán)的小數(shù)。我們至少要在高中階段接觸到對數(shù)函數(shù)后,才會初步接觸到這個數(shù),而想要完全了解這個數(shù),則至少要到大學學習高數(shù)階段。

自然常數(shù)e經(jīng)常出現(xiàn)在數(shù)學和物理學計算中,那么這么重要且特殊的一個數(shù),它究竟是怎么來的,又有什么具體的現(xiàn)實意義呢?

在十八世紀初的時候,有一位數(shù)學大神,名叫歐拉。這位大家應該都不陌生,在小編心里,他絕對是人類歷史上最厲害的5位數(shù)學家之一。自然常數(shù)e就是這位數(shù)學大師在解決復利問題時所提出的,因此e也被稱為歐拉數(shù)。

在歐拉之前,有一位厲害的數(shù)學家雅各布·伯努利,他提出了一個他自己也無法解決的問題,這是一個關(guān)于銀行復利的問題,大概意思是:

假如你在銀行存了1元錢,假如年利率是100%,不考慮其他扣費,一年后你將得到:

1*(1+100%)=2元

假如半年結(jié)算一次利息,利率為之前的一半,不考慮其他扣費,一年后你將得到:

1*(1+50%)^2=2.25元

假如每個月結(jié)算一次利息,利率為1/12,不考慮其他扣費,一年后你將得到:

1*(1+1/12)^12=2.61元

假如每周結(jié)算一次利息,一年52周,利率為1/52,不考慮其他扣費,一年后你將得到:

1*(1+1/52)^52=2.69元

根據(jù)這個規(guī)律,假如我們將一年分為n個平均的時間段,那么n就是利息復利的次數(shù),每一時間段的利息則為1/n,那么一年后的收益就是:

1*(1+1/n)^n

這時候有趣的問題出現(xiàn)了,復利的次數(shù)n如果變得無限大,那么收益是不是會變得無限大呢。這就是雅各布·伯努利所提出的問題,他試圖回答,卻無法給出一個確切的證明。

直到半個世紀后,歐拉大神橫空出世,這個問題才真正得到了解答。結(jié)論是:當n趨近于無窮大的時候,(1+1/n)^n并不是趨近于無窮大,而是等于這么一個常數(shù)2.71828···,這是一個無限且不循環(huán)的小數(shù),和圓周率一樣,都是無理數(shù)。后來為了方便記錄,就用字母e來表示了。

這個e就是大家現(xiàn)在已經(jīng)習慣且常用的自然常數(shù)了,e并不是一個隨意的數(shù)字,當數(shù)學越學越深,你慢慢會發(fā)現(xiàn)它是數(shù)學里最有用的數(shù)字之一。

當我們利用圖像法繪制y=e^x的函數(shù)圖像時,就會發(fā)現(xiàn),對于這條函數(shù)曲線上的任意一點,其斜率也是e^x,也就是說,y=e^x的導數(shù)就是它本身。

不僅如此,這個函數(shù)圖象與X軸圍成的面積,也是e^x,在y=n^x這個函數(shù)里,只有當n=e的時候,這個方程才有如此神奇的性質(zhì)。從這些例子里,我們不難看出,在微積分領域里,自然常數(shù)e毋庸置疑是一個重要且特殊的數(shù)字。

不僅如此,在物理學領域,自然常數(shù)e的運用也十分廣泛,它通常出現(xiàn)在正態(tài)分布或者與波相關(guān)的公式里,比如電磁波,聲波,量子波等。

除了以上實例,關(guān)于自然常數(shù)e還有一個非常著名的方程,那就是歐拉方程,也叫歐拉恒等式:e^(iπ)+1=0。

這個公式可以說是自數(shù)學開始發(fā)展以來,出現(xiàn)過的最美麗的公式。這個公式同時將數(shù)學中最重要的幾個數(shù)字完美地聯(lián)系起來了。

e=2.718128182…自然對數(shù),代表了大自然的優(yōu)美。

π=3.1415926535…圓周率,代表了時空的無限。

i=√-1,虛數(shù)單位,代表了人類的想象。

1,數(shù)字一,代表了宇宙起點。

0,數(shù)字零,代表了宇宙終點。

乘法代表結(jié)合,指數(shù)代表加成,加法代表累計,等號代表統(tǒng)一,這些數(shù)字在概念上看起來完全不搭邊,但是卻存在著如此美妙的數(shù)學關(guān)系。

如果說科學改變世界,那么數(shù)學就是改變科學的,數(shù)學是一切自然科學的基礎。每一個深入研究數(shù)學的人都無不為數(shù)學的魅力而著迷。

與其他學科相比,數(shù)學卻很不友好,因為數(shù)學可能是人類創(chuàng)造出來的,非常是少有的幾乎完全依靠天賦的學科。勤能補拙,天道酬勤在這門學科上完全不管用,只有獨一無二的天賦再配上勤奮,才能在專業(yè)數(shù)學領域小有建樹。

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