单词 | 为什么数e有广泛的应用 |
释义 | 为什么数e有广泛的应用 自然对数的底e=2.718281828…在数学中是一个重要的常数。为什么要引进这个常数呢?它有哪些重要应用?让我们细细道来。 首先来考虑一个理想状态的复利问题:设想有这样一家银行,它的年利率为1。一个客户年初以1元为本金存入,那么年终本利总和为1+1=2(元)。如果这家银行对期限更短的存款也采用同样的利率,即其利率根据存款期限在一年中所占比例按年利率打折计算,比如半年利率为1/2,三个月利率为1/4,一个月利率为1/12等。现在客户有更佳的存款策略:如果把1元钱存半年,到期立即连本带利续存。这样,年终的本利总和为 如果存期为3个月,到期后立即本利续存,则年终本利总和为 如果存期为1个月,则年终本利总和应该为 从这里可以看出,存款期限越短,按上面复利计算,年终所获得的本利总和越大。设想这家银行允许存款期限任意短,比如存期可以是1天、1小时或1分钟,甚至更短,那么存入1元1年后本利总和可以大到怎样的程度呢,存钱人会不会因此变成巨富呢? 1697年,瑞士数学家雅各布·伯努利考虑了这个问题。把一年分作n等分,以年为存期进行复利计算,那么一年后的本利总和为雅各布·伯努利证明了当n越来越大以至于趋于无穷时,上面这个本利总和会越来越大,但不会无限增大,而会越来越趋近于一个固定的数值,这个值在2和3之间。现在知道这个值等于2.718281828…。用数学极限的术语来说就是: 1617年苏格兰数学家纳皮尔制作的计算装置,由1个底座和几根柱子组成,可把乘法运算转换为加法运算,把除法运算转换为减法运算 当n趋于无穷时,序列的极限存在。 这就告诉人们,无论客户怎样缩短存款期限,年终本利和不会超过这个数列的极限值2.718281828…。如果每时每刻都按复利计算,年终本利和就是这个极限值。 后来,瑞士数学家欧拉在研究指数函数与对数函数时,再次遇到了这个极限值,并把它记为e。他还证明了e是一个无理数。更重要的是,欧拉证明了对于任意的实数x,当n趋于无穷大时,数列的极限为ex,即以e为底的指数函数。 它恰好是前面复利计算例子的推广:本金依旧为1,但年利率改成x。在这样的条件下,如果每时每刻都按复利计算,到了年终本利之和就是ex。 不过,这里的“利率”x可正可负,为任意非零实数。 上述银行自然是一个虚构的数学模型,但确实有很多实际的自然现象符合这个模型。只要一个量每时每刻都按这个量的一个固定比率增加(或减少),那么这个量的变化就符合上面的指数增长(或减少)规律。比如,放射性物质的质量随时间衰变,声波或光波的强度随传播距离衰减,人类对各种刺激的反应和刺激强度之间的关系等,都符合上面的指数率。马尔萨斯关于人口指数增长的结论也是基于同样的数学模型得到的。 欧拉还证明了指数函数ex的瞬时变化率(即导数)就是它自己。举例来说,如果一个运动的物体在t时刻的速度是et,则在t时刻的加速度也是et。函数ex的这个独特性质,使得ex在微积分计算、求解微分方程等应用中扮演着特殊的角色,从而在各种理论推导以及工程计算中,不断地出现数e以及ex。 随着科技的进步与数学的发展,数e的用处越来越广泛。在数学的各个领域,数e的身影处处可见。其中重要原因就是以e为底的指数函数的独特性质。(李忠) |
随便看 |
|
科学时代收录了15440条科普词条,基本涵盖了常见科普常识及英语词汇的翻译,是科学学习和研究的有利工具。