5分鐘科普:數學裡的 e 為什麼叫做自然底數?

2021-02-19 珠江教育

珠江君嘗試不用公式,用通俗易懂的方式,來解讀e的自然之美,爭取有中學基礎的人就能看懂。


(篇幅比較長,不喜歡長篇大論的,可直接跳到後面看結論)

e有時被稱為自然常數(Natural constant),是一個約等於2.71828182845904523536……的無理數。

以e為底的對數稱為自然對數(Natural logarithm),數學中使用自然(Natural)這個詞的還有自然數(Natural number)。這裡的「自然」並不是現代人所習慣的「大自然」,而是有點兒「天然存在,非人為」的意思。

以自然作為基礎,會比人為強制規定作為基礎更穩定和可靠。

例如:

英尺(foot)的長度就是根據人的腳長來人為規定,人的腳長差異太大,歷史上英尺發生過很多次變化,不穩定,這是不自然的。

而海裡的長度則接近自然,如下圖,海裡是根據地球周長計算的,是1角分的長度,變化就極小。

古希臘認為像1、2、3這樣的數,是事物本身就有的屬性,可以用來描述日常事物的數量和順序,無需過多解釋,就是3歲小孩也能快速理解,所以這些數被稱為自然數(Natural number)。

但這種樸素的自然觀限制了數的範圍,無法解釋0,負數、分數、小數等數。古希臘人認為這些數並不自然,是人為了計算而發明出來的,不是自然的數。

現代我們知道,沒有受過基礎數學教育的人要想理解這些數,不僅需要了解更複雜的概念模型,還要熟悉加、減、乘、除等運算方法,只有這樣才能完全明白。而更複雜的數,例如無理數、代數數和超越數,也需要了解更複雜的運算。

我們的主角e,就是超越數,既然理解e的含義需要理解相關的運算,而這些運算最早都和利息有關。

e和圓周率π都是超越數,π的含義可以通過下圖的割圓術來很形象的理解。假設等邊形的最長對角線長度為1,只要等邊形的邊足夠多,算出來的周長就可以越來越接近圓周率π。


但是解釋e的含義卻很難找到這樣直觀的例子,幸好珠江君在原文《An Intuitive Guide To Exponential Functions & e》中找到了很直觀的圖,只要理解了這個例子,e的含義就明白了。

假設你在銀行存了1元錢(下圖藍圓),很不幸同時又發生了嚴重的通貨膨脹,銀行存款利率達到了逆天的100%!

銀行一般1年才付一次利息,根據下圖,滿1年後銀行付給你1元利息(綠圓),存款餘額=2元


銀行發善心,每半年付利息,你可以把利息提前存入,利息生利息(紅圓),1年存款餘額=2.25元


假設銀行超級實在,每4個月就付利息,利息生利息(下圖紅圓、紫圓),年底的餘額≈2.37元


假設銀行人品爆發,一年365天,願意天天付利息,這樣利滾利的餘額≈2.71456748202元

假設銀行喪心病狂的每秒付利息,你也喪心病狂的每秒都再存入,1年共31536000秒,利滾利的餘額≈2.7182817813元

這個數越來越接近於e了!

哎呀!費了半天勁也沒多掙幾個錢啊!

對!1元存1年,在年利率100%下,無論怎麼利滾利,其餘額總有一個無法突破的天花板,這個天花板就是e,有興趣的同學可以用計算器算一下。

我們和圓周率再做個對比:

●多邊形的邊數和利滾利的次數是相似的。

●對角線為1的n邊等邊形,n趨於無窮,周長就無限接近於π,即π是周長的最大值。

●年利率為1(100%)的1元存款,利滾利的次數n趨於無窮,存款就無限接近e,即e是存款的最大值。

換種表述方法:

●每個完美的圓,其周長都是π的倍數;

●每個理想的存款,其餘額都是e的倍數。

這裡停一停,你好好體會一下。

按照自然的觀點,如果圓是最美的,那最賺錢的也是最理想的。

有人說:我不懂微積分,估計看不懂!

沒關係!你可以這樣理解,積分是升維的過程,微分是降維的過程。

例如:

把一張張紙疊起來變成厚厚的詞典,這是從2維變成3維的升維,這是積分;

把一大塊羊肉,切成一片片羊肉片,就是從3維為變2維的降維,這是微分。

在微積分中,底數為e的指數函數ex,其導數還是這個函數ex,也就是不論求多少次導數,其導數就像一個常量一樣永遠是恆定的。不知道別人的感覺如何,反正我第一次知道時是很驚奇的。

舉個例子:

就好像你切掉孫悟空的一部分,你以為是一小片肉,睜眼一看,居然是另一個孫悟空,而且一樣大!

這種自相似或全息性太匪夷所思、太好玩兒了!

下面就是y=ex在直角坐標系中的樣子

對數中最常用的底數是10、2和e

為什麼要以10為底數?


因為我們使用10進位,數量級和科學計數法也是10的倍數。所以10x的逆運算,以10為底的對數 lg x最常用、最方便,所以又稱常用對數。

10進位是數字表示法中最容易普及的,根源是我們有10個手指,人們初學數字時都喜歡藉助10個手指學習1、2、3……10。到了學加減運算時,更是喜歡藉助手指計算。不僅老師認為這樣教學直觀,學生也認為這樣練習方便。通過教育,這個強大的習慣,被最廣泛的傳播和固化下來。但如果是8個腕足的章魚發展出了文明,可能更喜歡8進位。

為什麼要以2為底數?

因為2倍或成倍式的增長,即2x,是我們日常中最簡單的指數式增長。我們經常說數量成倍、翻倍、翻番、翻兩番,都是2倍率的增長。所以2x的逆運算,底數為2的對數 lb x 也會比較常見。

雖然對數的底數2和10是人們使用體驗和認知體驗最好的對數,但是在數學中,這兩個數卻是不自然的,因為都是在方便人的需要。

為什麼e被稱為自然底數?

用e做底數的對數表達方式是 ln x 

前面在講「利息中的e」時,曾拿π和e做過對比。

●邊數越多越接近圓,利滾利越多越接近最大收益

●一個對角線為1的多邊形,其周長最大值是π

●一個本金為1利率為1的存款,其存款餘額的最大值是e

按照古希臘的自然思想來看:

●對於一個完美的圓來說,π才是自然的,是圓本身的屬性,儘管從數值上是一個「無理」的數。

●對於最快速的指數增長來說,e才是自然的,這是指數增長本身的屬性。

而科學家們也發現,在做數學分析時,用e做底數的對數 ln x 做計算,其形式是最簡約的,用其他對數例如lg x 做計算,都會畫蛇添足的多一些麻煩。

    

ln x 就像美學上的「增之一分則太長,減之一分則太短」。

知多點

2004年Google公司IPO上市,創始人Larry Page和Sergey Brin決定上市融資總額為2718281828美元,也就是e的前10位數字。因為他們都精通數學,很喜歡e的自然之美,當然也希望公司能像ex一樣實現指數型高速增長。

對數學家來說,最簡就是最美。這是一種純理性的美,通過感官是無法欣賞的,只有熟悉數學的人才能深刻的感受到。這種美令無數數學家為之痴迷,雖然不會像畢達哥拉斯那樣狂熱,但也終其一生孜孜以求。

1、歷史上,"自然"是一種劃時代的思維方法,自然還有和諧、完美的內涵;

2、隨著利息、對數、指數的發明,人們發現了e的存在;

3、1元存1年,在年利率100%下,無窮次的利滾利就會達到e;

4、e和π一樣都是內在規律,反映了指數增長的自然屬性;

5、大自然中到處都有對數螺線的身影;

6、其他底數都是發明出來方便人使用,只有e為底數是被發現的;

7、數學家發現以e為底數的對數是計算中最簡、最美、最自然的形式;

把e冠以自然底數、自然常數之名,把e為底數的對數稱為自然對數,是數學家們用自己的方式對e所進行的美學評價。

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大多數人樂於收藏,卻總是忘記點讚,就像走在乾淨的路上,是否能想到清晨忙碌的清潔工。

——《花吃了那女孩》

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    高中數學裡講過,以e為底的對數稱為「自然對數」(natural logarithm)。
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  • 自然常數e到底自然在哪?!
    自然常數e 確實是一個奇妙的數字,這裡的e 並不僅僅代表一個字母,它還是一個數學中的無理常數,約等於2.718281828459。    但你是否有想過,它到底怎麼來的呢?為啥一個無理數卻被人們稱之為「自然常數」?    說到e,我們會很自然地想起另一個無理常數π 。
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    >我們知道,自然界有一些十分重要的常數,如0,1,i,π,e等,它們的存在很大程度上影響了我們的學習與生活,今天我們就來深度挖掘一下,自然常數e為什麼這麼重要?在回答自然常數e為什麼這麼重要之前,我們首先要問,自然常數e是什麼?簡單搜索一下可以發現,百度百科裡面是這麼解釋的:自然常數,是數學科的一種法則。
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