「自然底數e」到底有多美?它似乎蘊含著宇宙無窮的秘密

2020-11-23 數學真美

數學之美,在於邏輯,邏輯之美,取法「自然」。這個世界無與倫比的美,莫過於「大自然」的鬼斧神工。我們在高中階段接觸了一個有趣的常數,那就是「自然底數e」。人們都說,這是一個非常美妙的常數,因為它的美同樣來自於「自然」。那麼這個來自於「自然」的常數,到底有多美呢?

早在遙遠的古希臘,泰勒斯就提出要擺脫「神學」的羈絆,向「大自然」尋找規律,以解決人們生產、生活中的難題。無論是泰勒斯的哲學思想、數學成就還是他的科學精神,在西方世界都是史無前例的,對後來者產生了深遠的影響,因而被人們尊稱為「科學之祖」。

他的學生畢達哥拉斯繼承並發揚了他的精神,創建了自己的學派,對「數」的崇拜超過了「神」的地位,他提出了「萬物皆數(指整數)」的理論,認為統治這個世界的不是神,而是從「大自然」中總結出來的規律——「數」。

「大自然」之美,在於它的「無窮」。「大自然」的「無窮之美」令人無法捉摸,甚至神秘的令人恐懼。在遙遠的古希臘海灘上,畢達哥拉斯帶領著他的門徒們在海灘上擺出各種各樣的「數列」:「自然數列」、「三角形數列」、「四方形數列」。人類的先行者們,正是用這種樸素的方法嘗試去探尋「大自然」的規律。人們藉助「數列」,從「事物規律」的認識由「局部」擴展至「整體」,從「有限」擴展至「無窮」。——這是人類的先行者最早運用的「歸納猜想」。

既然「自然數列」可以描述成一條直線,「三角形數」、「四方形數」也可以描繪成由「直線」組成的「幾何圖形」。那麼曲線該如何描述呢?

在大自然中,富有詩意的曲線有很多種,然而人們認為最迷人的「曲線」則是「對數螺線」。

1638年,著名的數學家笛卡爾最早用「解析式」描述了「對數螺線」。接下來的數學家們對「對數螺線」所展現出來的美顯得無比痴迷,瑞士數學家雅格·伯努利在逝世前就請人打造了一塊墓碑,在墓碑上刻下了美妙的「對數螺線」,同時寫上「我將按著原來的樣子變化後復活」的墓志銘。

「對數旋線」所展現出來的美在大自然中隨處可見,比如蝸牛的外殼的螺旋外形,向日葵籽的螺旋排布,夜空中呈螺旋形的星雲,大海的螺旋渦流等。這些美妙的「對數螺線」都可以用「指數」描述成: φkρ=αe 。其中α和k為常數,φ是極角,ρ是極徑,e是「自然對數」的底。產生這種美妙「對數螺線」最核心的原因正是「自然底數e」。那麼,「自然底數e」到底是如何得來的呢?

這個神秘的「自然底數e」就是由一個「數列」的「極限」產生。這個「數列」可以用這樣一個通項公式描述:{ ( 1 + 1/n )^n }。「n」分別用「自然數列1、2、3、4……」一一來代入,直至「無窮」,當n為「正無窮」時,該「數列」取得的「極限」就是e,即e = lim (1+1/n)^n(e≈2.71828182845904523536……)。然而,這個「自然底數e」在數學中到底有什麼用呢?

顧名思義,它最為重要的作用是作為「自然對數」的底。16世紀,隨著天文、航海等領域的發展,大量的數據計算令人們感到非常頭疼,當時正在研究天文學約翰·納皮爾為了解決這些計算難題,發明了對數。對數的發明給人們繁重的計算帶來了前所未有的簡便。

剛開始時,人們常用對數的底為10,稱為「常用對數」。後來又發現用「e」作為對數的底時,會使很多複雜的運算變得極為簡單。以至於科學家們在科學理論研究中,更喜歡用「自然對數」。

在「指數函數」裡,「自然底數e」還有一個更為重要的作用。那就是用來求「指數函數」的「導數」。大約1730年,歐拉定義互為逆函數的「指數函數」和「自然對數」。隨著「微積分」的建立,人們發現,「指數函數的導數」與其「自身」成一定比例。於是,人們就將e^x的「導數」等於其「自身」,以此求出「指數函數」的導數。然後我們用「對數」把其他「指數函數」都換成「以e為底數的指數函數」,這樣我們就能根據「e^x導數等於其自身」的定義求出其他「指數函數」的「導數」了。

無論是「社會科學」還是「自然科學」中所表現出來千奇百怪的現象,其背後都有「指數函數」的影子,其重要的特點就是「變化率」和其本身「當前的值」的關係,「當前值」會隨著「變化率」的增大而增大(或減小)。這個「變化率」實際上就是「導數」。

還有一個最令人們津津樂道的就是由e所組成的最美公式「歐拉公式」:e^iπ+1=0。這個公式的原型其實是這樣的:e^ix=cosx+isinx,這個公式的巧妙之處是它將三角函數的「定義域」擴大到了「複數」範圍,從而在「三角函數」與「復指數函數」之間架起了橋梁,它在「複變函數論」裡佔有非常重要的地位。 如果將e^ix=cosx+isinx進行一系列的「證明推導」,然後將其中的「x」的值取為「π」就得到: e^iπ+1=0。這個恆等式就是數學裡最令人著迷的一個公式,數學家們評價它是「上帝創造的公式」,這個公式到底蘊含著怎樣的秘密,還等待著人們去逐一解開。

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