自然常数由18世纪的大数学家欧拉推广开来,所以这个数又被称为欧拉数,用字母e表示。
e在数学中非常重要,通常会用到以e为底的对数,所以这个数又被称为自然底数。
自然常数e源自银行对复利的计算。
假如你有1元钱存在银行里,银行的年利率为100%。
那么,在一年后,你的资产将变为(1+1)^1元=2元。
如果银行换一种利息计算方式,半年结算一次利息,并且半年利率为50%。
那么,在一年后,你的资产将变为(1+0.5)^2元=2.25元。
如果是每个月结算一次利息,并且月利率为1/12。
那么,在一年后,你的资产将变为(1+1/12)^12元=2.61元。
如果是每天结算一次利息,并且天利率为1/365。
那么,在一年后(不考虑闰年),你的资产将变为(1+1/365)^365元=2.71元。
可以看到,利息的结算周期越短,最终回报越多。
观察规律可得,这种利息的计算通式为(1+1/n)^n。
既然利息结算周期越短收益越多,那么,如果每时每刻都在结算利息,即n趋于无穷大,最终的收益会是多少?也会变得无穷大吗?事实上,当n趋于无穷大时,(1+1/n)^n等于一个常数,其大小为2.7182818284…。
于是,人们就把这个常数定义为自然常数。
数学家证明,自然常数是一个无理数,同时也是一个超越数(不能用整系数代数方程来表示的实数)。
根据上述结果,e的表达式可写成:此外,e还可以用无穷级数表示:项数取得越多,越接近e的真实数值。
虽然自然常数没有圆周率广为人知,但它实际也被应用于诸多问题,例如,生长或衰变速率、概率问题、质数分布等等。
很多自然变化规律都是遵循以自然常数为底的指数函数,正因为如此,这个数被冠之以“自然常数”。
答:自然对数e的数学定义,前面的回答者已经说得很清楚了,我来讲一下他的历史来源吧,自然对数e和航海时代分不开。
要想了解自然对数的发现史,我们需要来到15世纪末,如果你还记得大型纪录片《大国崛起》,应该记得第一集讲的《海洋时代》西班牙和葡萄牙的崛起。
这时候,航海遇到一个非常大的难题,就是在海上如何确定所在经度(维度很容易测量,指南针指向和太阳升起的夹角就能计算维度),英国也遇到了同样的难题,还专门成立了格林尼治天文台,来专门研究海上的精度确认问题,如今这是本初子午线的划分地。
几个海洋国家,历经100多年的研究,都没有很好的办法在海上确认经度,以致无数航海家在大海中迷失方向,然后葬身海底。
最终,他们把希望寄托于天文学家,因为星空就是上帝创造的最佳路标,这使得天文学事业蓬勃发展,近代实验科学奠基人——伽利略,也加入了其中,但天文学家都遇到了一个非常大的难题,天文学引出大量复杂计算,大多和指数相关,这耗尽了天文学家大量时间,有时候就为了一个结果,甚至会耗费几个月的时间,以致伽利略说道:"给我空间、时间和对数,我就能创造宇宙"。
这激起了数学家们,对指数算法的研究,算法学家意识到,指数的逆运算有着奇特的性质,即对数运算:loga^b=bloga,log(a*b)=loga+logb;复杂的指数运算,居然可以转化为相应对数的乘法,甚至乘法也可以转化为加减法运算,这能大大降低计算的复杂度,也将产生一个重要的计算工具——对数表。
我们只需要编制一个对数表,就可以简化实际中遇到的任何复杂运算,,比如我们需要计算1.1234^1.6789的值……我们只需要编制一个对数表,就可以简化实际中遇到的任何复杂运算,比如我们需要计算1.1234^1.6789的值(当然,现在有计算器,我们无需去做这种无意义的存计算);常规方法很难处理,如果我们有指数表的话,只需要查询log1.1234=0.091491,计算log1.1234^1.6789=1.6789log1.1234=0.153604;然后用对数表,反向查询0.153604对应对数值,那么1.4243就是我们需要的结果,即1.1234^1.6789=1.4243.这样就把十分复杂的指数运算,转化成相对简单的乘法运算,如果你还觉得复杂,你甚至可以进一步把乘法转化成加法运算。
数学家进一步的研究,发现该对数表有两个特点:1、 我们运算的结果不依赖于对数表所取底数值,但是底数值的选取,决定了对数表的编制难度;2、 任何指数和乘方运算,都可以转化成0~1之间的对数运算,所以我们需要6位精度的运算,只需要编制0.000001~0.999999的对数表即可。
数学家首先想到的,当然就是10为底的对数,但这会遇到什么问题呢?看下表:以10为底,在没有计算器的年代编制对数表,计算的a值好像并不简单,涉及10的非整数次方。
不过数学家有办法解决,利用指数运算的性质,如果我们使用10^10000作为底数,就不会出现非整数次方了,如下表:但另外的问题出现了,随着对数值b的增大,我们得到a的值将以指数增加,相邻值间的距离太大,比如b=0.2017时,a的值将达到10^2017,这是很糟糕的结果。
那有没有处理办法呢?显然对于底数为m^n,n取得越大,越利于后面的计算,要使得计算结果不要太大,就要减小m的取值,但m不能无限小,m要在1附近,这样以(m^n)作为底数,才能使得对数值在合适范围内,比如底数取0.999999或者1.000001。
那么对底数的选取,就转化成(1+m)^n,进一步研究还能发现,如果m和n互为倒数,可以进一步简化计算,那么对底数的选取,就成了这种形式:其中n取得越大越,对数表的精度越高,比如计算底数为(1+0.00001)^10000值为0.2017的对数,就成了计算1.00001^2017的值,如果你记得指数运算的一个技巧的话,你可以很快知道,这个值大约为1+0.0001*2017=1.2017,实际上这个值是1.2235,两者相对误差是2%,我们仅凭心算就得到了如此高的精度。
而对于算法学家来说,每增加一个误差项就可以进一步提高精度,直到满足自己需求为止,看来我们的路是走对了。
看到这里,大家是不是看出了自然对数的影子!如果有人觉得,这时候提出自然对数应该是理所当然的,那么他肯定是把中学生的"理所当然"和婴儿的"理所当然"弄混淆了。
1614年,英格兰数学家纳皮尔(John Napier,1550~1617)出版了《奇妙的对数定律说明书》,书中他首次提出对数概念,并编制了史上第一张对数表,他使用的底数就是(1+1/10^7)^10^7。
过了2年(1616),伦敦的另外一位数学家布里格斯(Briggs Henry,1561-1630),特意来拜访纳皮尔,给他的对数表改进提了建议,可惜的是纳皮尔第二年(1617)就去世了,不过布里格斯继承了纳皮尔的工作,他把纳皮尔对数表的底数改成了10,并制作了精度达14位的对数表,这也耗费了他8年的时间。
到了这里,其实我们离自然对数的提出,还差100多年呢!期间虽然有其他数学家看到了自然对数的影子,但没有谁能抓住那影子。
比如牛顿在1665年对1/(1+x)的二项式展开中,首先得到了自然对数的级数;莱布尼兹在1690年给惠更斯的信中,也提到了这个常数,莱布尼兹用b表示;但他们对这个数的认识还不够深。
直到17世纪,瑞士数学家欧拉,才看穿这个常数的秘密,1730年,欧拉正式定义了自然对数,指出指数运算和对数运算互为逆运算,并用e来表示自然对数,推广了e的使用,所以自然对数也叫做"欧拉常数"。
至此,自然对数登上数学大舞台!人们随后才发现什么复利计算,什么自然增长……居然和这个常数密切相关,其地位也和圆周率不分上下。
好了,我的答案就到这里,内容取自我之前的两篇文章《自然对数的发现史!e何称欧拉常数?原来它的发现历经200多年!》和《自然对数的发现史!伽利略:给我空间、时间和对数,我能创造宇宙》。
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