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“自然底数e”的“自然”之美,是大自然的鬼斧神工

自然的,才是最美的。你看我们眼前的“自然界”纷纭复杂、包罗万象,但背后的规律却简洁而优美。当我们评价人或事物时,如果说其
自然的,才是最美的。你看我们眼前的“自然界”纷纭复杂、包罗万象,但背后的规律却简洁而优美。

当我们评价人或事物时,如果说其美是自然之美,那就是最高的评价。

在数学中也一样,“自然底数e”被誉为最美的常数,它的美在于“自然”。

“自然底数e”的神奇之处在于,它的表达式看起来极其复杂,让人眼花缭乱,望而生畏,但是用它做底数的“自然对数”,在计算过程中却变得简洁而优美。

先让我们来看看“自然底数e”的表达式长什么样:e = lim_{n→∞} (1 + 1/n)^n 。

看起来是否有点令人望而生畏?

这个表达式所描述的是数列{(1+1/n)^n}在n趋于“正无穷”时的“极限值”,其近似值约为2.718281828,属于“无理数”。

这才是耐人寻味的地方:使计算变得简洁的底数不是2,也不是10,而是一个复杂的“无理数”。

它以本身的繁琐,换来了处理问题过程中的简洁。

这种复杂背后的简洁之美,是如此的迷人。这正是人类的先行者在遥远的古希腊时期,就已经在追寻的“自然之美”。

早在两千多年前的古希腊,被誉为“科学之祖”的泰勒斯摆脱了“神学”的羁绊,作为多神论者的他,开始将眼光投向大自然本身。

这在一个“神学”占绝对统治地位的荒芜时代来说,对传统观念的颠覆,无疑是破冰之举。

他的学生毕达哥拉斯继承并发扬了这一观点,他带领他的学生们,在沙滩上用石子摆各种“数列”,提出“万物皆数”的观点,试图用“数”取代“神”的地位,向大自然去寻找规律。这使得人类文明走向了正确的康庄大道。

时间飞逝,转眼来到了1618年,纳皮尔在他的“对数”著作附录中,记下了一个与e极为近似的值。这是 e 在数学的历史中第一次现身。

时间慢慢地流淌着,一转眼,半个世纪过去了。

1683年,雅格布.伯努利在研究复利问题时,无意之间发现了e的无穷魅力。

他发现,如果一笔钱以年利率100%计算复利,并且利滚利的周期不断缩短(从一年到半年、一月、一日……直到连续计算),最终的本息和会趋近于一个“极限值”。

甚至他本人都没有察觉,他已在无意之中拧动了“潘多拉盒”的盖子。

他发现了一个用极限表达的常数e: lim_{n→∞} (1 + 1/n)^n。他确认在他所研究的金融问题里,存在着一个介于2和3之间的常数。

这时,他“遇见了e”,但没有认识它!

时间继续向前流淌着,一眨眼,半个世纪又过去了。

1736年,欧拉在他的著作《力学》中,开始使用字母 e 来表示这个常数。

他使用了 e 的级数展开式:e = 1 + 1/1! + 1/2! + 1/3! + ......,通过这个公式,他计算出了 e 的近似值,并且精确到了小数点后的18位。

欧拉确定了 e 在“分析学”中的核心地位,特别是“指数函数 e^x” 和“自然对数”的优美性质。

1748年,欧拉在他的著作《无穷小分析引论》中,正式发表并推广了现在被称为“欧拉公式”的定理 e^(iθ)=cosθ+isinθ。

当θ=π时,进一步简化成e^(iπ) + 1 = 0。

这就是传说中被誉为“上帝公式”的欧拉恒等式 ,他的魅力在于,将 e、π、i、1 和 0 这五个最重要的数学“常数”统一在一个极其简洁的公式里。

后来,人们进一步确定了e的性质:

首先,通过严格的证明,e 是一个无理数(无限不循环小数)。

更进一步,它还是一个“超越数”(不是任何“整系数”代数方程的根)。这意味着无法通过尺规作图画出长度为 e 的线段。

还有,人们发现,“指数函数e^x”的斜率等于其“函数值”。

在“常数界”,e 的出现频率非常高,因为它与“变化率”和“增长”有着深刻的联系。

而欧拉公式 e^(iθ) = cosθ + i sinθ 更是让 e 在“复变函数”中处于核心地位。

后来,人们在研究“素数分布规律”时,发现小于数字 x 的素数的个数,大约为 x / ln(x)。

你看!在这里,人们惊讶地发现,上千年来令数学家们头疼的“素数分布规律”,居然与e有关。

在微积分中,e的核心地位更是不可替代,无论如何求导,被称为不倒翁:函数 y = e^x 的导数(变化率)是其自身。

e的神奇之处在于,它不同于其它的“底数”都是人们发明出来方便使用的,但唯有e作为底数是被发现的。

不光在数学里有这些神奇的魅力,当我们将目光投向大自然,e的魅力无处不在。

在大自然里,蜜蜂的蜂巢构造、鹦鹉螺的贝壳螺线……这些都是大自然体现e神奇魅力的杰作。

在现代科学中,e的魅力更像是一壶老酒,持续发酵,香气四溢,令人沉醉其中。

当人们要描述一个在理想环境下(食物、空间无限)的细菌种群时,会发现其数量增长规律就是 dP/dt = kP。

而这个方程的解,就是一个以e为底的“指数函数”。其生长(或衰变)的“速率”与当前“数量”成正比。而且,这一模式在自然界中普遍存在。

比如在物理学中,人们发现原子核的衰变“速率”正比于现存的“数量”,同样以e为底的“指数”衰减,因而可以据此定义“半衰期”。

再比如牛顿冷却定律,人们发现,一个物体的冷却“速率”,与环境的温差成正比,而且其“温度变化”的函数,也包含e。

当我们回过头来看一看e在数学史上的历程,惊讶地发现,e的“自然”之美,在于它并非人为创造,而是大自然在“连续变化”时,“大自然本身”所作的选择。

“自然底数e”的美,是宇宙简洁而优美的又一明证。