【數學】擴展知識:數字常數e的含義

2021-02-08 廣東高考在線

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說明:這是一篇延伸性知識,與高考無關,有興趣的同學可一讀。(高考中一般只需注意e是一個常數,大於1,且以e為底的對數通常寫成ln)

1.e是一個重要的常數,但是我一直不知道,它的真正含義是什麼。

它不像π。大家都知道,π代表了圓的周長與直徑之比3.14159,可是如果我問你,e代表了什麼。你能回答嗎?

維基百科說:「e是自然對數的底數。」

但是,你去看「自然對數」,得到的解釋卻是:自然對數是以e為底的對數函數,e是一個無理數,約等於2.718281828。

這就構成了循環定義,完全沒有說e是什麼。數學家選擇這樣一個無理數作為底數,還號稱這種對數很「自然」,這難道不是很奇怪的事情嗎?

2.昨天我讀到一篇好文章,它把這個問題解釋得非常清楚,而且一看就懂。

它說,什麼是e?簡單說,e就是增長的極限。

下面就是它的解釋。

3.假定有一種單細胞生物,它每過24小時分裂一次。

那麼很顯然,這種生物的數量,每天都會翻一倍。今天是1個,明天就是2個,後天就是4個。我們可以寫出一個增長數量的公式:

growth= 2 x

上式中的x就表示天數。這種生物在x天的總數,就是2的x次方。這個式子可以被改成下面這樣:

growth= (1+100%) x

其中,1表示原有數量,100%表示單位時間內的增長率。

4.我們繼續假定:每過12個小時,也就是分裂進行到一半的時候,新產生的那半個細胞已經可以再次分裂了。

因此,一天24個小時可以分成兩個階段,每一個階段都在前一個階段的基礎上增長50%:


當這一天結束的時候,我們一共得到了2.25個細胞。其中,1個是原有的,1個是新生的,另外的0.25個是新生細胞分裂到一半的。

如果我們繼續修改假設,這種細胞每過8小時就具備獨立分裂的能力,也就是將1天分成3個階段。


那麼,最後我們就可以得到大約2.37個細胞。

很自然地,如果我們進一步設想,這種分裂是連續不斷進行的,新生細胞每分每秒都具備繼續分裂的能力,那麼一天最多可以得到多少個細胞呢?



當n趨向無限時,這個式子的極值等於2.718281828...。


因此,當增長率為100%保持不變時,我們在單位時間內最多只能得到2.71828個細胞。數學家把這個數就稱為e,它的含義是單位時間內,持續的翻倍增長所能達到的極限值。

這個值是自然增長的極限,因此以e為底的對數,就叫做自然對數。

5.有了這個值以後,計算銀行的複利就非常容易。

假定有一家銀行,每年的複利是100%,請問存入100元,一年後可以拿多少錢?

回答就是271.828元,等於100個e。

但是,實際生活中,銀行的利息沒有這麼高,如果利息率只有5%,那麼100元存一年可以拿到多少錢呢?

  

為了便於思考,我們取n等於50:

我們知道,在100%利息率的情況下,n=1000所得到的值非常接近e:

  

因此,5%利息率就相當於e的20分之一次方:

  

20分之一正好等於5%的利率率,所以我們可以把公式改寫成:

  

上式的rate就代表增長率。這說明e可以用於任何增長率的計算,前提是它必須是持續不斷的複合式增長。

6.再考慮時間因素,如果把錢在銀行裡存2年,可以得到多少錢?

  

在時間t的情況下,通用公式就是:

  

上式就是計算增長量的萬能公式,可以適用於任何時間、任何增長率。

7.回到上面的例子,如果銀行的利息率是5%的複利,請問100元存款翻倍需要多少時間?

  

計算結果是13.86年:

  

上式最後一個等號,表明用72除以增長率,可以得到翻倍的大致時間,這就是72法則的來源。

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