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最自然的数字 - e

 阿里山图书馆 2020-03-04

2019.2.6 修改了文中一处公式错误, 非常感谢 @暗夜之刃 朋友指正!

下文节选自《你不可不知的50个数学知识》, 已获人邮图灵授权许可, [遇见数学] 特此表示感谢!  ★提示: 如果文中数字/公式显示较大, 请点击右上角中"刷新"即可恢复正常.

相对它的唯一竞争者  来说,  就像是初来乍到的 由于其可追溯到巴比伦时期的辉煌历史而显得更具威严,而  却没有什么值得称道的历史为其添彩。常数  是年轻而充满生机的,当涉及“增长”时,它就会出现。无论是人口、金钱或其他的自然数量,它们的增长总是不可避免地会涉及  。

 是一个近似值为  的数。那么它为什么这么特别呢?它并不是一个随机产生的数,而是数学中最伟大的常数之一。它萌发于 17 世纪早期,那时,几个数学家正致力于如何阐明对数的思想,这个伟大的发明使得大数之间的乘法可以转换为加法。

但是,故事真正开始于 17 世纪。当时,瑞士的伯努利家族像个生产数学家的工厂,涌现了一批杰出的数学家,而雅各布 ·伯努利正是这个家族的一员。1683 年,雅各布开始研究复利的问题。

▌金钱,金钱,金钱 
假设我们考虑  年定期存款,利率为 初始存款(称为本金)为当然我们几乎不可能得到  这么高的利息,这个数字仅仅是为了便于计算,我们完全可以将其推广到真实的利率,例如  或  。同理,如果我们假定本金为 的话,那么计算过程中的所有数字都要乘以 倍。

在第一年结束后,按  的利率来算,我们现在拥有了本金以及相应的利率也就是说,现在的总额高达现在我们假设将利率降低到 但是每半年单独结算一次。在前半年结束后,我们得到了  便士的利息,总额增加到 。所以,在全年结束时,我们将以这个基数计算利率,共得到  便士的利息。一年结束后,我们最初的存款 增长到了 !通过每半年计算一次复利,我们得到了额外  便士的利息。虽然这看起来很少,但是如果我们投资了本金,我们最后得到的将是而不是通过半年复利的计算方法,我们得到了额外的

但是,如果每半年计算一次复利可以使我们的本金获得更多的利息,银行也同样可以从我们欠银行的债务上获得更多的利息,所以我们一定要小心!现在假设将一年划分为  个季度,每个季度的利率为  。经过类似的计算,我们发现本金 增加到了我们的钱在增加,对于 的本金来说,如果能进一步减小计算利息的周期和利率,我们将能获得更多的利息。

我们的钱会无限增长下去,并使我们变为百万富翁吗?如果我们将一年时间继续划分为越来越短的周期,这个“极限过程”最终将使本息和停留在某一个常数上,如下表所示。当然,现实中计算复利的最短周期是每天(银行正是这么做的)。这个过程的数学结论是,这个极限值(数学家称之为e )是将复利的计算变得连续发生时, 的本金最后所获得的本息和。这是个好消息还是坏消息呢?你应该知道答案:如果你是在存款,那么它是好消息;如果你欠银行钱,它就是坏消息。这是一个 学习”的问题。
推荐阅读【自然常数 e 的故事】- 图解高中数学系列

 的精确值
和  一样,  也是一个无理数,因此,我们也无法知道它的精确数值。将 扩展到小数点后  位的结果是 

如果仅仅使用分数,并且限定分母和分子都是  位数的话 的最佳近似是  。有趣的是,如果将分母和分子限定到  位数,则最佳近似是  。第二个分数恰好为第一个分数的一个回文展开:一一一数学总是习惯于给我们奉上一些小的惊喜。关于  的一个著名的展开序列为:

上式中的阶乘用感叹号来表示更方便一些。例如。根据这种表示法,  可以表示为我们更熟悉的形式

因此,数字  看起来应该有一定的模式。从数学性质来说,  比  更加“对称”。

如果你想知道一种记住  的前几位数字的方法,尝试一下这个:“Weattempt a mnemonic to remember a strategy to memorize this count...”,每个单词中的字母个数依次代表  中小数点后面的数字。如果你熟悉美国的历史,应该将  记为 Andrew Jackson Andrew Jackson”,因为安德鲁 ·杰克逊(外号“老山胡桃”)是在  年当选为美国第  任总统的。有很多帮助记忆  的方法,它们的趣味在于它们所涉及的离奇事物,而并非在数学上有过人之处。

欧拉在 1737 年证明了  是无理数(而不是分数)。1840 年,法国数学家刘维尔证明了  不是**任何**  次方程的解,而在 1873 年,他的同胞埃尔米特,开创性地证明了  是超越的(不是任何代数方程的解)。这里重要的是埃尔米特所使用的方法 年之后,林德曼沿用埃尔米特的方法证明 是超越的,而这个问题显得更惹人注目。

旧的问题刚刚解决,新的问题又会接踵而来 的  次幂也是超越的吗?这个表述显得如此怪诞,但是还能有什么更好的表述呢?它至今仍未被严谨地证明,按照数学的严格标准,它仍应算作猜想。数学家们的证明已经很接近了,证明出了它和  的  次幂不可能同时都是超越的。接近了,但是还不够接近!

 和  之间的关系非常令人着迷!  和  的值非常接近,但是我们很容易证明 无需精确计算它们的数值)。如果使用计算器算一下,你会发现它们的近似值为  

 很重要吗 
 主要出现在涉及增长的地方。比如说经济增长和人口增长。与其相关的还有用  决定曲线来描述放射性衰变。

数字  也出现在与增长无关的地方。蒙特莫特(Pierre Montmort)在18世纪研究了一个概率问题,随后对该问题的研究推广开来。简单地说,一群人去吃午饭,吃完后要离开时随机拿起一顶帽子。那么没有人拿到自己帽子的概率为多大?

可以证明这个概率是 大约 ,所以至少有一个人拿到了他自己帽子的概率为  。这只是它在概率论中诸多应用中的一个。用于描述小概率事件的泊松分布是另一个例子。这些都是较早的应用,但还不只这些。詹姆士·斯特林利用  和  得到了一个对阶乘  的著名近似:在统计学中,正态分布的“钟形曲线”涉及 在工程学中,悬索桥缆索的曲线取决于  。如此列举下去的清单是无穷无尽的。

▌一个惊世骇俗的恒等式
数学中最吸引人眼球的等式也涉及  。当我们思考数学中的著名数字时,我们会想到  以及虚数  。下面的式子真的成立吗?

成立:这个结果要归功于欧拉。

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