导读:

枝上柳绵吹又少,天涯何处无芳草。——苏轼
步入五月,又到了春夏之交“下雪”的季节了,柳絮、杨絮数量为什么一直不少呢?我们今天研究下这个问题。
且看几个假设:假设有n棵柳树,每棵树已经飘在地上的柳絮数量为1,没有飘的数量为1,另假设这n棵柳树上,柳絮分n天飘完。
第一天每棵树飘下的柳絮总和为:

n棵树第一天结束飘下柳絮的总和为:

同理可得,第二天,第三天,第四天,……的柳絮总和为:

和我们研究洗衣服问题时方法一致,将n值放大,见下图(取前四天进行比较)

不难发现,随着天数增加,数量在增加,而对于取定的较大的n值来说,每天的数量趋于一个不变的数值.
我们再将这些趋于不变的数值开方(第几天就开几次方),得到下表:

没错,这些数的方根趋近于同一个常数,大约是2.718282……这个常数就是自然对数的底e.
我们再看第二个例子:
有个财主,他靠发放贷款给别人挣钱,有个商人,找到他来借贷,还贷的要求是满一年时连本带利还清,利率是100%,假设本金是a元,一年后应归还2a元;有天,这个财主觉得一年周期太长,改为半年结次账,利率改成了50%,半年后应还(1+0.5)a元,1.5a作为本金进入下个半年,也就是说一年后要归还(1+0.5)(1+0.5)a元,即2.25a元的钱款.
财主计算后是相当兴奋,他发现,结算周期越短,他的收益越高,他赶紧掏出算盘计算起来,结果让他大失所望,
结算3次(利率三分之一),大约2.37a元;结算4次(利率四分之一),大约2.44a元;结算5次(利率五分之一),大约2.488a元;结算10次,大约2.59a元;结算100次,大约2.70a元;结算万次,大约2.718a元,也就是说连本带利的增长是收敛的,突破不了一个界限。
数学家欧拉给这样的一个极限起了个专有的名称e,即:

从上次洗衣服的介绍以及柳絮的介绍,我们不难发现,

是一个递增的数,而且是有界的,随着n的增减,它的值不会超过,这个极限就是我们数学上的一个重要函数:指数函数,它的反函数就是lnx. 这两个函数在数学和物理等各门学科里都有着广泛的应用,例如:放射性元素的衰减,机械振动规律,化学变化,生物族群的衰减规律等.
e的值是一个无理数,它和圆周率(π)区别于诸如、
、
……等的无理数的地方是它们不能满足任何整系数代数方程的实数,换句话来说:它们可以表示无穷数列的和,是一个多维空间的“数”,不是我们平时一元一次方程、一元二次方程的解,我们把这样的数叫“超越数”。
超越数只有e和π吗?不是,在复平面内可以找到很多超越数的,在高维世界里解方程,得到的解必然含有e和π等超越数。
以e为底的指数函数还有个特性:导函数是其本身,这是其它任何函数所不具备的特性!即:.
超越数间的联系
e和π虽然结果大相径庭,但二者却有渊源,他们之间存在一个神奇的关系:(欧拉公式)

有人将它成为最美的数学公式,因为,它将五个重要的数字展现在了一起,e,i,π,1,0. 其中,i=
不仅如此,人们还发现了:

如果我们利用微积分里的泰勒展开方法,可得到:

将其中的x换成θi,将cosθ和sinθ按泰勒展开,

令θ=π,得到:

即是上面的欧拉公式.
π的展开及性质比e要复杂些,我们下次介绍它的性质.
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