自然常數e怎麼就自然了?聊一聊自然指數的發現歷史和例子

總有幾個數字是特別的, e就是一個。我們在上學的時候,老師總是說這個數可以描述很多自然現象,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,e ≈ 2.71828 1828  


自然常數e怎麼就自然了?聊一聊自然指數的發現歷史和例子


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e是如何發現的

這個數字的歷史並沒有很長,最早的記錄也才過去400年左右。1618年,約翰·納皮爾(John Napier)出版一本關於對數的著作。在附錄裡邊有一張表,其中包含以e為低的自然對數列表。已知的第一次用到常數e,是萊布尼茨於1690年和1691年給惠更斯的通信,當時用b表示。1727年歐拉開始用e來表示這常數;而e第一次在出版物用到,是1736年歐拉的《力學》(Mechanica)。雖然以後也有研究者用字母c表示,但e較常用,終於成為標準。所以有傳言,這個常數之所以選擇字母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”(exponential)一字的首字母。另一看法則稱a,b,c和d有其他經常用途,而e是第一個可用字母。
下面我們通過例子來說明,很多自然現象都和e有關。

利息計算

假設銀行的利率是 100%, (這個當然是假設) 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,然後馬上在存入有銀行,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後連本帶息一年

自然常數e怎麼就自然了?聊一聊自然指數的發現歷史和例子

我們發現,數字的增長越來越慢,這個數值,不斷的接近一個數字,271828...,2.71828 就是自然常數。
我們對 (1 + 1/n)^n 取n 趨向於無窮的極限
大量自然的和社會的現象都可以用方程 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的本質重要性就在於可以描述這類變化。

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,銀河繁星的旋轉等等。 這些曲線可以用 φkρ=αe (α和k為常數,φ是極角,ρ是極徑 )來描述。

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總結

e描述了連續體變化或物體連續變化的一種狀態(單位狀態量變化率是固定值),而自然界中大部分事物變化發展是接近這種狀態的,這也就是為什麼很多狀態曲線呈現指數樣式的原因所在。簡單一句話:e代表了連續。

REF

https://zhuanlan.zhihu.com/p/40317763


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