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自然底数“e”的神奇魅力, 何以让数学家为之痴迷? 原因在这里

 祁淳 2018-12-26

数学和哲学是一起发展起来的,它们有着共同的特性,那就是透过表面现象追寻“自然的规律”。

在遥远的古代,限于人们的认知水平,“神”是至高无上的存在,是人类心中唯一的信仰。

公元前624年,古希腊的数学家泰列斯用“自然”这个词取代了神灵在人们心中的地位,人类的数学与哲学思想开始萌芽,泰列斯被称为“哲学与科学之祖”。

虽然泰列斯也是一个有神论者,但是他认为解决问题不能仅仅依赖于“神”,必须遵循“自然规律”,用逻辑推理的方法来解决现实中的问题。

先提出理论,然后寻找论据,再通过逻辑推理去证明该理论的真伪,旧的理论可以被修改甚至被推翻,从而构建出新的理论。

在泰列斯学说的影响下,一大批古希腊的数学家、哲学家登上了历史的舞台:苏格拉底、柏拉图、亚里士多德、阿基米德、欧几里得,这些耳熟能详的人物顿时就像黑暗中的繁星,布满了古希腊的夜空!

自然的,就是和谐的,就是美的!后世的科学家和哲学家广泛地采用了泰列斯以“自然”为基础的理论。

尽管后代的科学家也不泛有神论者,比如牛顿就是一个狂热的有神论者,科学巨匠爱因斯坦也认为“科学的尽头是神学!”。但是科学家们心目中的“神”与远古人类心中所谓的“神”已经有了本质上的区别。

科学家们只是把“神”做为一个假设、一个猜想、一个命题,然后用严密的逻辑推理去进行层层证明。

就是在这样的大背景下,一个神秘的无理数浮出了水面,这就是大名鼎鼎的“自然底数e”。

这是一个非常有意思的数,它不象π那样,直接就是圆的周长和直径的比率。

“e”的来头可要复杂得多,它是这样被定义的:当n→∞时,(1+1/n)^n的极限, 随着n的增大,底数越来接近1,指数趋向无穷大,而结果无限逼近“e”。

“e”是一个无限不循小数:2.71828……,在高中的课本上,它作为“自然对数”的底。

这个看起来非常复杂无理数,却被人们称为“最自然的数”,因为它能以自身的复杂换来繁琐运算的简单。

早在二世纪时,古希腊数学家就已发明了三角函数,给出了最早的“三角函数”数值表。

古希腊人最开始研究的数学主体是天体,人们为了便于在茫茫的海上辨别方向,用“球面三角术”根据夜空的星座来计算地球上的经纬度,以此来确定自己的方位。

但是令人苦恼的是,天文学家将观测到的海量繁琐的数据进行计算时,感到非常地困难,这时极需一种更加方便的计算方法。

1614年,苏格兰数学家纳皮尔在“等差数列”、“等比数列”对应关系的启发下,发明了对数,刚开始是以10为底的“常用对数”,后来经过其它数学家的研究,发现用“e”作为对数的底,会使很多繁琐的计算过程便变得极为简单。

这种以“e”为底的对数就叫做自然对数。

自然对数的出现,大大的促进了物理学、生物学等自然科学的发展。

1752年,数学家欧拉提出了一个著名的公式:e^iπ+1=0,这是一个迷人的公式,数学家们为之倾倒,称它为“上帝创造的公式”。

这个公式以神奇的“e”作为底,以i和π的积作为指数,第一次将“指数函数”的“定义域”扩大到了复数范围,在“复指数函数”与“三角函数”之间搭建起了桥梁,也将“数学分析”与“复变函数论”联系了起来,因此欧拉公式被誉为“数学中的天桥”。

“e”的神奇特性被不断地发现,在现代科学中,人们发现一个成熟细胞的分裂周期正好是“e”。

细胞是生物最基本的构成单位,那么换句话说,e与生命科学或许有着某神秘的联系。

随着时代的进步,“e”更多有用的特性会被发掘出来,促进现代科技走向更加辉煌的明天。

小伙伴们,你们对此有什么看法呢?欢迎留言讨论。

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