【新刊推荐】e的故事

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数学上有许多神奇的常数,比如我们非常熟悉的圆周率π,少年派甚至能记住它的小数点之后n(n=?满满一黑板,小编数不过来……)位。π的含义很直观易懂——它是圆形周长与直径的比值。
还有一个大家经常遇到的常数,比起π,它的由来却并不那么为人所知,显得很神秘。
它就是自然常数e。
包含有e的对数螺线的形状不仅看上去十分优美,它还是自然界中事物极为普遍的存在形式。比如:鹦鹉螺贝壳的图形、蜘蛛网的结构、螺旋星系的旋臂、低压气旋的外观……都与对数螺线相似。
e是一个无限不循环小数,也是一个超越数。
它小数点后100位为
e=2.7182818284 5904523536 0287471352 6624977572 4709369995 9574966967 6277240766 3035354759 4571382178 5251664274……
看起来很头晕吧!一点规律也没有呀。那它到底是怎么来的?
e的定义:
与π的定义(圆周长除以直径)不同,e的定义要稍微费解一些。最常见的一种定义,写出来是下面这个样子。
π的诞生,离不开人们对圆的性质的探索。那么,e又是怎么来的呢?
你大概想不到,其实是为了——算钱。
假设你手里有1块钱。现在,你把它存入“科学世界银行”,这家慷慨的银行决定支付给你每年100%的利息。1年期满,你的账户里有多少钱呢?
这很好算。我们将1年期满时账户里的钱记作M,则有:
M=1(本金)+1×100%(利息)=2
也就是2元。
之后,银行决定再慷慨一次,利率仍为100%,但改为1年计息2次(每半年1次,相当于半年利率50%)。这时,M又是多少呢?
这次的计算要复杂一些,主要是多了“本息合计后再次计息”的步骤,这就是所谓的“复利”。不过,只要抓住问题的核心,计算起来也并不困难。由于每次计息时的利率是100%/2=50%,因此每次计息后,M都会增长为之前的(1+50%)倍。所以,
2次计息后,M就会增长为最初本金的(1+50%)²倍,即
M=1×(1+100%/2)²=1×2.25=2.25
由此,如果银行1年计息N次、每1/N年计息1次(相当于每次利率为100%/N),则
M=1×(1+100%/N)N
如果改为1年计息3次,则M=2.3703703704……元。更多的计息情况,请参见表1。
计息次数(N) |
M值(精确到小数点后10位) |
1 |
2.0000000000 |
2 |
2.2500000000 |
3 |
2.3703703704 |
4 |
2.4414062500 |
5 |
2.4883200000 |
6 |
2.5216263717 |
7 |
2.5464996970 |
8 |
2.5657845140 |
9 |
2.5811747917 |
10 |
2.5937424601 |
表1
不难发现,计息次数越多,最后你账户里的钱就越多。那么,是不是次数无限制地增加下去,账户里的钱也会无限制地增加呢?
为了便于思考,不妨让电脑继续帮我们计算下去,结果请见表2。
计息次数(N) |
M值(精确到小数点后10位) |
20 |
2.6532977051 |
50 |
2.6915880291 |
100 |
2.7048138294 |
1000 |
2.7169239322 |
10000 |
2.7181459268 |
100000 |
2.7182682372 |
1000000 |
2.7182804692 |
10000000 |
2.7182816940 |
100000000 |
2.7182817864 |
表2 计息次数与数值的关系2
不错,M的确是在迅速增加,但M值的增速却越来越慢。N从1000增加到1亿,增长了10万倍;而M值的增幅则完全不成比例,仅仅是可怜的万分之5!
再仔细观察一下,M似乎有一种收敛于某个数值的趋势,而这个数值,很可能就在2.718281……附近。
至此,一个简单的复利计算问题,开始朝着我们之前完全没有预想到的方向伸展开来了。
那么,它真的会止步于某一个特别的数值吗?哪些头疼脑热的数学家把它想出来的呢?伯努利和欧拉都对它做了些什么?它这么傲娇,除了数学课,在实际生活中到底有没有用处呢?
欧拉和他的“欧拉恒等式”
更多关于e的精彩介绍,请阅览最新《科学世界》第4期“科史钩沉”栏目文章:e的故事。
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