在數學領域,有很多比較有趣的常數,這些常數的來曆一般都經曆過一場波瀾壯闊的數學進化史。比如我們之前說過的圓周率π,這個數比較常見,小學階段就能遇到。
而今天我們将要科普的是自然常數e,這個常數非常重要,它和π一樣,是一個無限且不循環的小數。我們至少要在高中階段接觸到對數函數後,才會初步接觸到這個數,而想要完全了解這個數,則至少要到大學學習高數階段。
自然常數e經常出現在數學和物理學計算中,那麼這麼重要且特殊的一個數,它究竟是怎麼來的,又有什麼具體的現實意義呢?
在十八世紀初的時候,有一位數學大神,名叫歐拉。這位大家應該都不陌生,在小編心裡,他絕對是人類曆史上最厲害的5位數學家之一。自然常數e就是這位數學大師在解決複利問題時所提出的,因此e也被稱為歐拉數。
在歐拉之前,有一位厲害的數學家雅各布·伯努利,他提出了一個他自己也無法解決的問題,這是一個關于銀行複利的問題,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,一年後你将得到:
1*(1 100%)=2元
假如半年結算一次利息,利率為之前的一半,不考慮其他扣費,一年後你将得到:
1*(1 50%)^2=2.25元
假如每個月結算一次利息,利率為1/12,不考慮其他扣費,一年後你将得到:
1*(1 1/12)^12=2.61元
假如每周結算一次利息,一年52周,利率為1/52,不考慮其他扣費,一年後你将得到:
1*(1 1/52)^52=2.69元
根據這個規律,假如我們将一年分為n個平均的時間段,那麼n就是利息複利的次數,每一時間段的利息則為1/n,那麼一年後的收益就是:
1*(1 1/n)^n
這時候有趣的問題出現了,複利的次數n如果變得無限大,那麼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,卻無法給出一個确切的證明。
直到半個世紀後,歐拉大神橫空出世,這個問題才真正得到了解答。結論是:當n趨近于無窮大的時候,(1 1/n)^n并不是趨近于無窮大,而是等于這麼一個常數2.71828···,這是一個無限且不循環的小數,和圓周率一樣,都是無理數。後來為了方便記錄,就用字母e來表示了。
這個e就是大家現在已經習慣且常用的自然常數了,e并不是一個随意的數字,當數學越學越深,你慢慢會發現它是數學裡最有用的數字之一。
當我們利用圖像法繪制y=e^x的函數圖像時,就會發現,對于這條函數曲線上的任意一點,其斜率也是e^x,也就是說,y=e^x的導數就是它本身。
不僅如此,這個函數圖象與X軸圍成的面積,也是e^x,在y=n^x這個函數裡,隻有當n=e的時候,這個方程才有如此神奇的性質。從這些例子裡,我們不難看出,在微積分領域裡,自然常數e毋庸置疑是一個重要且特殊的數字。
不僅如此,在物理學領域,自然常數e的運用也十分廣泛,它通常出現在正态分布或者與波相關的公式裡,比如電磁波,聲波,量子波等。
除了以上實例,關于自然常數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學開始發展以來,出現過的最美麗的公式。這個公式同時将數學中最重要的幾個數字完美地聯系起來了。
e=2.718128182…自然對數,代表了大自然的優美。
π=3.1415926535…圓周率,代表了時空的無限。
i=√-1,虛數單位,代表了人類的想象。
1,數字一,代表了宇宙起點。
0,數字零,代表了宇宙終點。
乘法代表結合,指數代表加成,加法代表累計,等号代表統一,這些數字在概念上看起來完全不搭邊,但是卻存在着如此美妙的數學關系。
如果說科學改變世界,那麼數學就是改變科學的,數學是一切自然科學的基礎。每一個深入研究數學的人都無不為數學的魅力而着迷。
與其他學科相比,數學卻很不友好,因為數學是人類創造出來的,是非常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,隻有獨一無二的天賦再配上勤奮,才能在專業數學領域小有建樹。
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