自然对数底e的发明,其实来自于人类对计算无止尽的追求
为了计算2的任意次方,比如说2^x(其中x是任意非整数且大于0),聪明数学家们想到了一个方法:
首先,把x变得非常小——比如把它除以1万,计算出2^(x/10000)的结果;随后,只需要把这个结果连乘10000次,就能重新得到2^x的值。
也就是说,2^x = (2^(x/10000))^10000,这从定义上说是显然的
为什么要先缩小,再放大呢?因为数学家们发现,当x特别小时,2^x随着x的增长几乎是线性的。也就是说,y=2^x的函数曲线,x=0 附近看起来几乎就是一条直线。
而那条直线的系数,经过大量重复的仔细计算,是0.693.....
也就是说,当x特别小时,2^x 约等于 1 + 0.693 x;把这个数算出来后,再连乘1万次,就能得到原值。这就把原本不可能计算出来的指数(特别是当指数是小数时)给算出来。这其实是计算机发明之前,所有高精度近似计算的秘诀。
现实中,你当然不需要真的乘1万次;毕竟乘一次就是2次方,把两次方的结果自己连乘一次就是四次方,以此类推。最多只需要Log(10000),约等于13次而已
因此,数学家们对2的任意x次方创造出了一种非常神奇的算法:
2^x ~ (1 + 0.693 x/N)^N ,只要N是一个非常大的数
但是,0.693这个系数放在前面,令每次计算确实大不方便,精度也有问题。不够“自然”。为了让上面这个式子看起来更自然,最简单的方法就是换元:
令 x = x' / 0.693
这样,就得到:
2^(1/0.693 * x') = (1 + x'/N)^N
将 2^(1/0.693) 提取出来,记为e,并把x'上面的小标去掉
就得到
e^x = (1 + x/N)^N,更严谨的:
e^x = lim N->infinity {(1 + x/N)^N}。
这里的e就是所谓的“自然对数”的底,因为他让指数的计算近似公式看起来更自然
经过计算,不难得出 e = 2.718....
由上可知:自然对数描述的是2^x在原点附近的斜率,是一个数学实体,是实际存在的东西
而不是一个人造之物
聪明的你学会了吗?