相信每一位高中生都會遇見“e”這個東西,這是個什麼玩意?大多數學生都會困惑,并且這種困惑可能會伴随你的高中三年甚至更久。
遙想當初接觸“e”的概念,“e是自然對數的底數”,那麼什麼是自然對數呢?得到的解釋是“自然對數是以e為底的對數函數,e是個無理數,約等于2.718281828…”,這算什麼定義?“雞的旁邊是鴨,鴨的旁邊是雞”麼,用這樣的循環定義根本就沒有說明e是各什麼東西嘛,也難怪我們要糊塗了,更讓我們無法理解的是把這樣的數作為底數,弄出來的對數居然很“自然”,相信更多的人要崩潰了。
當上數學教師,不想把這樣的迷糊傳下去,通過查閱資料,上網查詢,逐漸明白“e”這個東西是個什麼東西了。
首先我們講一個發生在萬惡的舊社會的故事:一位農民向地主惡霸接了1兩銀子,期限一年,地主将收取100%的利息,這樣的話,一年後農民需要償還地主(1 100%)=2兩銀子,可是貪婪的地主并不滿意這個結果,于是他改為複利計算,也就是恐怖的“利滾利”,把一年期的年利率拆成兩個半年期利率,50%,中間計算一期的複利,那麼一年後到手裡的錢為:(1 50%)×(1 50%),也就是2.25兩銀子;可是仍然達不到地主的滿意,再狠一點,按照季度計算複利,那麼就會得到錢為:(1 25%)×(1 25%)×(1 25%)×(1 25%),大約為2.44兩銀子。再狠一點,按照月計算複利,那麼就會得到錢為:(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12)×(1 1/12),大約為2.61兩銀子。這個時候地主看上農民的姑娘喜兒了,于是打起了如意算盤,如果再分細點,得到的更多,就可以把這個喜兒弄到手了。把這個複利計算過程繼續細分下去,按天算,按小時,按分,按秒計算複利,可是地主失望地發現,無論怎麼細分下去,最後的獲利隻能無限地接近某個數,這個數就是e,大約為2.7182818。
也就是說什麼是e,e就是增長的極限。
為什麼用e來表示這個數,數學史上說法不一,實際上e就是NB的大數學家歐拉通過這個極限而發現的,它是個無限不循環小數,其值等于2.71828……。以e為底的對數叫做自然對數,用符号“ln”表示。
為什麼歐拉會選擇e來表示這個常數,更多的人接受的說法有三個:一是在a,b,c,d等四個常被使用的字母後面,第一個尚未被經常使用的字母就是e,所以,他很自然地選了這個符号,代表自然對數的底數;二是e是“指數”一詞英文的第一個字母,雖然你或許會懷疑瑞士人歐拉的母語不是英文,可事實上法文、德文的“指數”都是它。究竟e的來曆是什麼?當然還有第三個是說歐拉之所以選這個字母,是因為這是他自己名字Euler的首字母,不過我對這一猜測不認同,因為歐拉是一個很謙虛很低調的人,總是肯定他人的工作,所以他不可能把這個偉大的發明“據為己有”的。所以選擇e來表示這個常數至今仍然是個謎,有興趣的同學可以研究一下,說不定下一個菲爾茲獎就是你。
有必要提一下的是數學中有一個階乘的概念,用“n!”表示。理科生比較熟悉,譬如:3!=3×2×1,4!=4×3×2×1。(想起一個笑話,在這裡穿插以下,40-32÷2=? 小學生回答“4!” 文科生:“哈哈,答錯了吧。” 理科生:“喲,答得不錯啊!”)。于是就會出現一個“偉大”的公式:
這樣的話,似乎就可以把e和“自然”聯系起來了,盡管隻有一毛錢的關系。
另外,e很可能是正規數和合取數,也就是說每個數字顯示出随機分布,且每個數字出現機會均等的,并且你能夠想象出來的任何組合,從e的某一位起都可以找到,當然這隻是猜測,有興趣的同學可以證明一下。
最後說一個關于e的一個很高大上的結論:因為e的本質含義就是增長的極限。借助于這個特點,任意一個大于2的正自然數,請你把它随意分解成若幹個數之和,并把這些數乘在一起,問哪種分解方法分出來的數得到的乘積最大。答案就是盡量分成這個數除以e以後得到的份數,并且每份的大小盡量接近,這樣的乘積就最大。舉個例子整數10。10/e 大約等于3.68,所以應該把10分成4份,而每份又要比較接近,所以可分為2,2,3,3,乘積為36。除此之外,其他的各種分法得到的乘積都超不過這個數。
正是因為e是累計增長極限,所以決定了以e為底的指數函數所代表的增長方式最“自然”,或許這才是被稱為自然對數的底數真正的由來。
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