自然常數(shù)e怎么就自然了?聊一聊自然指數(shù)的發(fā)現(xiàn)歷史和例子

總有幾個數(shù)字是特別的, e就是一個。我們在上學(xué)的時候,老師總是說這個數(shù)可以描述很多自然現(xiàn)象,但是它終究不如圓周率來的自然。所以我的頭腦中對它的印象終究是一個無理數(shù),e ≈ 2.71828 1828  


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e是如何發(fā)現(xiàn)的

這個數(shù)字的歷史并沒有很長,最早的記錄也才過去400年左右。1618年,約翰·納皮爾(John Napier)出版一本關(guān)于對數(shù)的著作。在附錄里邊有一張表,其中包含以e為低的自然對數(shù)列表。已知的第一次用到常數(shù)e,是萊布尼茨于1690年和1691年給惠更斯的通信,當(dāng)時用b表示。1727年歐拉開始用e來表示這常數(shù);而e第一次在出版物用到,是1736年歐拉的《力學(xué)》(Mechanica)。雖然以后也有研究者用字母c表示,但e較常用,終于成為標(biāo)準(zhǔn)。所以有傳言,這個常數(shù)之所以選擇字母e,是因為歐拉的名字的首字母就是e。用e表示的確實原因不明,但可能因為e是“指數(shù)”(exponential)一字的首字母。另一看法則稱a,b,c和d有其他經(jīng)常用途,而e是第一個可用字母。
下面我們通過例子來說明,很多自然現(xiàn)象都和e有關(guān)。

利息計算

假設(shè)銀行的利率是 100%, (這個當(dāng)然是假設(shè)) 比如你存入 100塊錢。如果利息的計算是一年計算一次,連本帶利息就是100+100 = 200。如果是半年呢? 前半年,連本帶息可以返回 100+1000.5 = 150,然后馬上在存入有銀行,150 + 1500.5 = 225,這樣我們的利息就多了很多,但是是不是切分的越細,獲得的利息越多呢?
計算如下:

切分方式 計算公式 一年后連本帶息
一年 100 \times (1+1)^1 200
半年 100 \times (1 + \frac{1}{2}) ^2 225
3個月 100 \times (1 + \frac{1}{4}) ^4 244
1個月 100 \times (1 + \frac{1}{12}) ^{12} 261
1天 100 \times (1 + \frac{1}{365}) ^{365} 271

我們發(fā)現(xiàn),數(shù)字的增長越來越慢,這個數(shù)值,不斷的接近一個數(shù)字,271828...,2.71828 就是自然常數(shù)。
我們對 (1 + \frac{1}{n}) ^{n} 取極限
大量自然的和社會的現(xiàn)象都可以用方程 y = k' x 描述。意思是,一個事物的變化率和自身的量成正比,如果自身越大,變化越快,就像上邊的利息計算,e的本質(zhì)重要性就在于可以描述這類變化。

旋渦形或螺線型

旋渦形或螺線型是自然事物極為普遍的存在形式,比如:蝸牛的殼, 上升的裊裊炊煙,銀河繁星的旋轉(zhuǎn)等等。 這些曲線可以用 φkρ=αe (α和k為常數(shù),φ是極角,ρ是極徑 )來描述。


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總結(jié)

e描述了連續(xù)體變化或物體連續(xù)變化的一種狀態(tài)(單位狀態(tài)量變化率是固定值),而自然界中大部分事物變化發(fā)展是接近這種狀態(tài)的,這也就是為什么很多狀態(tài)曲線呈現(xiàn)指數(shù)樣式的原因所在。簡單一句話:e代表了連續(xù)。

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