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自然常数e怎么就自然了?聊一聊自然指数的发现历史和例子

2020-01-02  本文已影响0人  科学俱乐会

总有几个数字是特别的, e就是一个。我们在上学的时候,老师总是说这个数可以描述很多自然现象,但是它终究不如圆周率来的自然。所以我的头脑中对它的印象终究是一个无理数,e ≈ 2.71828 1828  


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e是如何发现的

这个数字的历史并没有很长,最早的记录也才过去400年左右。1618年,约翰·纳皮尔(John Napier)出版一本关于对数的著作。在附录里边有一张表,其中包含以e为低的自然对数列表。已知的第一次用到常数e,是莱布尼茨于1690年和1691年给惠更斯的通信,当时用b表示。1727年欧拉开始用e来表示这常数;而e第一次在出版物用到,是1736年欧拉的《力学》(Mechanica)。虽然以后也有研究者用字母c表示,但e较常用,终于成为标准。所以有传言,这个常数之所以选择字母e,是因为欧拉的名字的首字母就是e。用e表示的确实原因不明,但可能因为e是“指数”(exponential)一字的首字母。另一看法则称a,b,c和d有其他经常用途,而e是第一个可用字母。
下面我们通过例子来说明,很多自然现象都和e有关。

利息计算

假设银行的利率是 100%, (这个当然是假设) 比如你存入 100块钱。如果利息的计算是一年计算一次,连本带利息就是100+100 = 200。如果是半年呢? 前半年,连本带息可以返回 100+1000.5 = 150,然后马上在存入有银行,150 + 1500.5 = 225,这样我们的利息就多了很多,但是是不是切分的越细,获得的利息越多呢?
计算如下:

切分方式 计算公式 一年后连本带息
一年 100 \times (1+1)^1 200
半年 100 \times (1 + \frac{1}{2}) ^2 225
3个月 100 \times (1 + \frac{1}{4}) ^4 244
1个月 100 \times (1 + \frac{1}{12}) ^{12} 261
1天 100 \times (1 + \frac{1}{365}) ^{365} 271

我们发现,数字的增长越来越慢,这个数值,不断的接近一个数字,271828...,2.71828 就是自然常数。
我们对 (1 + \frac{1}{n}) ^{n} 取极限
大量自然的和社会的现象都可以用方程 y = k' x 描述。意思是,一个事物的变化率和自身的量成正比,如果自身越大,变化越快,就像上边的利息计算,e的本质重要性就在于可以描述这类变化。

旋涡形或螺线型

旋涡形或螺线型是自然事物极为普遍的存在形式,比如:蜗牛的壳, 上升的袅袅炊烟,银河繁星的旋转等等。 这些曲线可以用 φkρ=αe (α和k为常数,φ是极角,ρ是极径 )来描述。


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总结

e描述了连续体变化或物体连续变化的一种状态(单位状态量变化率是固定值),而自然界中大部分事物变化发展是接近这种状态的,这也就是为什么很多状态曲线呈现指数样式的原因所在。简单一句话:e代表了连续。

REF

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

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