
前段时间,正好有朋友问了我这个问题:e到底是什么?为什么这么特殊?
条件反射的,我马上搬出了高数书上的定义: ,balabala balabala。
但是我朋友立马打断了我,他说:我知道这个,但是为什么e爬满了数学的各个角落?这个“牵强的定义”明显不能解释这个问题。
平生最恨这种“打脸”行为,自然要好好调查调查,好让这个朋友“信服”。但是遗憾的是,翻了不少网络,发现真的是没有找到“满意”的答案。
按照我这人的性格,既然没找到满意的,那就自己写呗。哈哈哈,反正失业,who 怕 who。。。
其实翻过网上的不少答案以后,我发现了这个话题最大的问题在哪?那就是,e的发现,和e的意义其实是两码事。
e的发现非常的曲折,从约翰·纳皮尔1618年发布对数表,到1736年欧拉发布《力学》足足经过了1个世纪有余。
欧拉发现e的过程,按照普遍资料的说法是计算利息的极限获得的。这个网上资料实在很多,咱这里也就不复制粘贴了。
但是我发现,其实很多人陷入了一个误区,认为e的发现其实就是e的意义。其实这个是不对的。为什么不对,我们拿π来举例:
比起e来说,π可以说是众所皆知,π的定义是就是圆的周长和直径的比。那么圆的定义是什么?就是曲线上每一点到中心的距离一致。这么一看π的定义简直是清晰了然的不行。
但是如果我们把π扭曲一下,定义成下面这个样子呢?
我相信会有一群人过来打死我。但为什么e却是这么定义的?
这个问题最有意思的地方就是,因为历史上是先有圆,然后再去定义π的。但是却是先发现了e,然后才发现e的意义的。
那么如果我们以超越时空的视角去看e,e到底是什么呢?
首先我们看看下面这个图,如果说我们想要找一个函数,f(x),使得f(x)和f(x)下侧面积S相等,也就是y=f(x)=S。
这样的函数具有无穷多个,但是,如果我们再强制f(0)=1的话,那么这个函数就只有那么一个独苗了。说到这儿大伙肯定已经明白这个是啥函数了。 ,或者说exp函数。而在这个地方,e取2,取3,取4都不行。e必须取2.71828。(就像是π必须取3.14一样)
exp函数才是整个数学的主角啊。就好比是对于π来说,圆才是主角啊。割圆术算什么主角?对吧?(极限法计算e本质上也是割exp函数)。
圆的最大特性是:从任意点到圆心距离不变。那exp函数的特性在哪?
exp函数的独一无二的特性就在于exp函数任意一点的切线斜率和exp函数的值相等。当然也可以说成exp函数任意一点下方左侧的面积总和和exp函数的值相等。这两种说法其实本质上是等价的。
换成数学写法就是 或者 。
这个特性看起来有点其貌不扬,实际上确是个狠角色啊。换句话来说,可能这货比圆都要拽啊。要不是数学拓展到复数的时候,“恰逢”复数的指数是在复平面旋转,可能今天的数学里π都算不上正经角色。为啥这个特性如此重要,这个实在nb的地方太多了。咱随便搬出个“核武器”泰勒展开的弱化版本,麦克劳林展开试试吧:
排除掉一切的“干扰项”,我们可以发现,这货就是一路给f(x)计算求导啊。那有什么函数求导求导再求导怎么折腾都不变? 。。。。
er,,,,代入试试:
(收获比欧拉同学刚开始计算e的方法方便快捷10000倍的方法)
那还有什么函数求导求导求导。。。会回到自身不?sin,cos来了。
咱也代入试试:
有没有感觉怎么扯上点东西了呢?有兴趣的同学可以代入个i试试啊,貌似发现了骗妹子专用公式,嗯嗯,其实我什么都不懂哈(逃)。
当然了, 特性远远不止于上面那个例子。剩下的就交给数学大牛们吧。我这个小白还是赶快溜了的比较好。以免暴露真实水平,哈哈哈。
2019-12-27更新
神马情况,一年半前写的答案竟然突然这么多人看?那就更新更新吧。
有人问还是不理解很多公式里的e是怎么来的,我这里来举个例子吧。
假设一个小球在一个奇怪的桌面上滚动,受到桌面的阻力和速度成正比。(大家别较真,只是假如,为了展示如何推导出e的)
,其中 为固定的系数, 为当前速度。
那么小球收到的加速度 ,其中 为小球的质量。
其实我们想知道的就是在某时刻 的小球速度,我们可以记为:
我们整理一下就有了:
上式中, 和 都是固定量, 和 是两个相关的变量。
但这显然是个微分方程,不会解怎么办……那就蒙呗。
这个公式里,去掉中间的a,我们就会发现 的导数其实就是自己乘个系数,发现没。
回忆一下上面的导数不变性,我们来大胆假设一下:
公式中b和c其实就是我们等待确定的量。
当 等于0的时候, 其实就是初速度。我们换个符号 来代替。
于是 ,剩下的只要求c就好了。
待入到上门的加速度等式进去:
约去 我们有:
于是我们得到了我们想要的最终答案:
这不,e不就冒出来了么,神奇不?
再仔细回顾一下整个过程,我们就可以发现,其实我们只是用到了 导数不变的性质而已。。。
