深度科普:自然常数e,到底和“自然”有什么联系?


第一,2.71828...这个数最早的历史是Napier创造的对数表是用这个数为底的,他用的数学模型是v(速度)=x(距离),也就是dx/dt=x,那个时代还没有发现幂指数,更没有微积分,因为用这个最简单的对数方程创造了工业革命最广为应用的对数表,于是当时就把这个对数叫做自然对数,e就称为自然对数的底,所以"自然数"的名头最早不是关于衰变或者复利的。

第二,e是描述“最基本”的一类变化,就好比正弦波代表最基本的一类振荡,其他所有的更复杂的振荡都可以用(不同频率、不同幅度的)正弦振荡的叠加来表达。如果一个变量的变化速率dx/dt 刚好就跟这个变量x 自身的体量成正比,其表达就是: 变量之变化(增或减)服从指数规律。自然界里有很多变量, 它们随时间变化的速率是遵从这个规律的, 比如楼主提到的“电容器两端的电压”,充电、放电的快慢服从指数规律, 这同时也是简单分析表达式所能表达的,变化最快的一类变化。

第三,把一个比较大的自然数平均分成若干份,并使它们的乘积最大,只有每份是3的时候乘积最大,这是因为3最接近于e,你说神奇不?水的沸点是100度,而100/e就是人的正常体温,你说神奇不?这难道是巧合吗?生活和自然界中涉及e的时候很多,说明e对我们人类太有用了,我们还要深入研究。

第四,一个量的变化率,与这个量自身成正比”同时也体现了微观层面量子跃迁的非累积性和各向同性(与时间流逝无关、与空间阔缩无关,因而体现在宏观上就是无时无处恒速率的变化):原子衰变、化学反应、电容放电,光电反应、生物发育、微生物繁殖、植物花序、光合作用、昆虫赴火、海螺长壳、营养代谢、药物代谢甚至轻核聚变、星云凝聚或商业复利、器件性能摩尔定律等等都在一定范围程度内存在这种现象,体现了物理演变的无标度性,数学上同样见诸于概率分布(包括指数、几何和正态分布等)以及斐波那契数列的研究,自然常数就是倍增或者半减在无时无处恒变速率的条件下的极限值e和1/e。

第五,历史上e的起源与对数的计算有关。大航海时代为了准确航行,人们需要进行大量复杂数值的乘法运算,例如计算a×b=?人们发现如果将其转化为对数运算就可以将乘法变成加法。如果令y=a×b,两边取以ε为底的对数则loga+logb=logy,loga+logb是加法运算,比较容易算出结果,其结果不妨记为x,那么最终需要的结果y=ε^x。然而求出某个数的对数,比如loga并不容易。但是对数和指数是互为逆运算关系,如果事先按照y=ε^x的关系计算出一张当x=1,2,3...时,y分别等于多少的数据表,要是你需要计算其对数的那个数,刚好是这张表中的某个y值,或者至少是与y值接近,那么这个数的对数就是与y对应的那个x值,纳皮尔就制作这么一张对数表。要想让这张表更好用,得需要表中的y值足够密集,即某个y值与下一个y值之差足够小,这样才能保证你要计算的对数有很大的可能在这个表中。如何才能做到这一点呢?只要ε尽量接近1就可以,例如令ε=1+1/n,n是一个很大的数,n越大获得的y值就越密集。现考察当x发生最小变化,即Δx=1时,引起的y值相对变化量是多少?即Δy/y=[(1+1/n)^(x+1)-(1+1/n)^x]/[(1+1/n)^x]=1/n=Δx/n,所以Δy/Δx=y/n。如果令z=x/n,则Δy/Δz=y,并且y=(1+1/n)^x=(1+1/n)^(nz)=[(1+1/n)ⁿ]^z。当n→∞时,Δy/Δz=dy/dz=y,如果
n→∞时,lim(1+1/n)ⁿ存在,并将该极限记为常数e,则y=e^z,该函数满足这样的关系dy/dz=y,即函数导数就是该函数本身。其反函数,即以e为底的对数函数z=lny,满足dz/dy=1/y这种简洁的关系,即这种对数函数的导数是自变量的倒数,也将以e为底的对数称为自然对数。这是n→∞时,lim(1+1/n)ⁿ=e的真正来源。至于e具体等于多少,是由欧拉大神首先计算出来的,那又是一段荡气回肠的故事。

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