lnx與e^x的那一場相識

2021-01-08 星蝶偶成閣

今天凌晨回到了深圳,飛機上一位大哥喝醉了,呼嚕聲與沖天的酒氣,讓我只有換到了一個空位上。飛機能挨著坐,也算是一個小相識,不過大家以後喝醉了還是不要坐飛機了,旁邊的人真是在煎熬中。扯遠了,因為最近在複習復變域,遇見了e,想起了lnx和它的一場相識(當然,復變域中,e僅僅是一個符號)。有時候沿著大拿們走過的路再走一遍,不但可以體會一下他們在未知中發現科學的驚喜,還可以學習到他們分析和解決問題的方法。

lnx的出現要早於e的發現,如果e一直沒發現,估計大拿們一直不知道lnx是基於什麼數的對數函數。

注意:為了簡單介紹,這裡就省了積分的常量,而且沒對函數的連續性、可微性作證明,這些可以參考相關的資料。

早先科學前輩們知道了冥指數積分的表達示,如下:

但問題來了,如果n是負1的情況下,1/x的原函數是什麼?顯然,分子為零是無解的。一開始當然是找不到,於是定義了如下的函數:

這樣開始,數學家們對這個函數進行了很多的分析,根據其導數為x的倒數,可以得到下面幾個主要的特性:

這就說明存在

而且可以知道

接下來

所以存在

看出來了麼?F這個函數完全表現為一個對數的特點,因此把函數改寫為logn(x),即以一個未知數n為底的對數,簡寫為lnx,注意,現在只是知道有一個數的對數求導可以得到1/x,但這個數是什麼不知道!

從lnx求導為1/x,我們得到了上述這些特點,接下來數學家們又開始研究其反函數x=E(y),對E(y)求導可以得到什麼?

其反函數的導數為其自身。

於是,我們就可以根據E(x)導數為其本身,來求a^x的導數了:

到了這一步,這個底數還是未知,特徵都找到了(當然還有其它的)。接下來e開始登場了,e起源於這樣一個極限

當n的值還比較小的時候,這個函數表現為發散遞增的特點,一開始還未引起大拿們的注意。而銀行家在計算利息,天文學家在計算軌跡時,n的取值往往取得很大,此時實際應用中發現隨著n值的變大,這個極限開始表現為收斂性,始終不會超出一個數,而這個數又表現為一個無理數,就像PI一樣,把它用e來表示(好像是為了紀念天才歐拉),於是一個與藝術美有關的數就出來了,數學家們對它越研究越有興趣,其中一個就是它的指數函數e^x。

於是它的導數:

自然而然,就開始關心lne為多少了

lne的推導如下:

於是

就這樣數學家們終於找到了lnx的反函數e^x,兩者就這麼自然而然的相識了,lnx原來是以e為底的對數函數。既然這麼自然而自然,就叫自然對數和自然指數吧。

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