数学中最基本的自然常数e的由来,e代表欧拉(Euler)吗?
数学中最基本的自然常数e的由来,e代表欧拉(Euler)吗?
#微积分#都忘得差不多了吧,还记得圆面积公式、圆周率计算公式怎么推导吗?今天看看一个简单的无理数并且是超越数的自然常数 e 是怎么来的。
莱昂哈德·欧拉 (Leonhard Euler,1707年4月15日~1783年9月18日)
这个公式的巧妙之处在于,它没有任何多余的内容,将数学中最基本的e、i、π放在了同一个式子中,同时加入了数学也是哲学中最重要的0和1,再以简单的加号相连。
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欧拉计算出e
自然常数,符号e
为数学中一个常数,是一个无限不循环小数(无理数),且为超越数,其值约为2.718281828459045。它是自然对数函数的底数。有时称它为欧拉数(Euler number),以瑞士数学家欧拉命名;也有个较鲜见的名字纳皮尔常数,以纪念苏格兰数学家约翰·纳皮尔(John Napier)引进对数。它就像圆周率π和虚数单位i,是数学中最重要的常数之一。
自然常数e来自伯努利的问题,源自古巴比伦人对复利的计算。
假如你有1元钱存在银行里,银行的年利率为100%。那么,在一年后,你的资产将变为(1 1)^1元=2元。如果银行换一种利息计算方式,半年结算一次利息,并且半年利率为50%。那么,在一年后,你的资产将变为(1 0.5)^2元=2.25元。如果是每个月结算一次利息,并且月利率为1/12。那么,在一年后,你的资产将变为(1 1/12)^12元=2.61元。如果是每天结算一次利息,并且天利率为1/365。那么,在一年后(不考虑闰年),你的资产将变为(1 1/365)^365元=2.71元。
可以看到,利息的结算周期越短,最终回报越多。观察规律可得,这种利息的计算通式为(1 1/n)^n。既然利息结算周期越短收益越多,那么,如果每时每刻都在结算利息,即n趋于无穷大,最终的收益会是多少?也会变得无穷大吗?事实上,当n趋于无穷大时,(1 1/n)^n
等于一个常数,其大小为2.7182818284…。于是,人们就把这个常数定义为自然常数。数学家证明,自然常数是一个无理数,同时也是一个超越数(不能用整系数代数方程来表示的实数)。可以表示为下面的式子
这就是e作为数学常数其中一个定义,
其计算方法是泰勒公式展开
已知函数e存在任意阶的导数。将其在点e处进行泰勒展开,有
取Lagrange余项:
计算其数值约为(小数点后100位):“e ≈ 2.71828 18284 59045 23536 02874 71352 66249 77572 47093 69995 95749 66967 62772 40766 30353 54759 45713 82178 52516 64274 ……”。
于组词e的历史
在1690年,莱布尼茨在信中第一次提到常数e。在论文中第一次提到常数e,是约翰·纳皮尔(John Napier)于1618年出版的对数著作附录中的一张表。但它没有记录这常数,只
有由它为底计算出的一张自然对数列表,通常认为是由威廉·奥特雷德(William Oughtred)制作。第一次把e看为常数的是雅各·伯努利(Jacob Bernoulli)。欧拉也听说了这一常数,所以在27岁时,用发表论文的方式将e“保送”到微积分。欧拉将e计算到小数点后18位。
用e表示的原因不明,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,e则是第一个可用字母。还有一种可能是,字母“e”是指欧拉的名字“Euler”的首字母。
以e为底的指数函数的重要方面在于它的函数与其导数相等。e是无理数和超越数(见林德曼-魏尔斯特拉斯定理,Lindemann-Weierstrass)。这是第一个获证的超越数,而非故意构造的(比较刘维尔数);由夏尔·埃尔米特(Charles Hermite)于1873年证明。
自然常数经常在公式中作为对数的底。比如,对指数函数和对数函数求导时,就要使用自然常数。函数
的导数为
根据以e为底的指数函数的泰勒级数展开,还能推导出e的另一个表达式:
自然数阶乘的倒数之和正是e,所以这能体现自然常数的“自然”之处。

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