常数e 除了值的大小 我们对常数e到底知道多少

栏目:教育 2021-09-25 15:38:57
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我们似乎不太了解e。

在数学中,常数e一直是一个神奇的存在,这似乎很常见,但是我们对它了解多少呢?

描述常数e的语句可以在许多数学书籍中找到,例如,在维基百科中,它的解释如下:

"数学常数e是自然对数的基数."

这个解释似乎相当模糊。中文的意思是这样的:“数学常数e是自然对数的基础”。不幸的是,这里引入了另一个概念“自然对数”。

和往常一样,我们也可以从维基百科得到一个解释:

自然对数,以前称为双曲对数,是以e为底的对数,其中e是约等于2.718281828459的无理数常数

这个解释说:“自然对数,原名双曲对数,是基于E的对数,其中E是一个不合理的常数,约等于2.7182818282。”

这让我们觉得自己陷入了一个很好的循环参照。这种循环带来的痛苦是,它是正确的,但没有帮助。回顾我们中学的课本,我们只是直接告诉学生一个类似的结论,却无法跳出循环去解释什么。

我完全理解这一点。对于绝大多数的数学定义来说,由于要求严谨,不可避免的是,数学定义往往枯燥、形式化,带有一种冷漠、傲慢的气质。但是这种气质对一个初学者来说确实不友好。

今天分享一些关于E的看法,会让他更平易近人。

e不仅仅是一个数字

如果我们简单地把E描述为“一个常数,大约2.71828……”,就像把Pi描述为“一个无理数,大约3.1415……”。当然,这也没什么不好,但就像我之前说的,这样的描述似乎没什么用。我们更感兴趣的是“他怎么样”,而不是“他有多厉害”。

如此简单的数字描述往往忽略了背后的客观意义,但正是这种实际意义才是我们理解其本质的核心。

圆周率是所有圆的周长和直径之比。它是一个比值,是所有圆固有的基本比值。由于其固有的性质,这个比值将影响许多与圆、球、柱等一系列图形的周长、面积、体积和表面积有关的计算,以及由圆导出的三角函数sin、cos和tan。

同样,E应该如何理解?

e是持续增长过程中的基本增长率。

有了它,我们可以轻松获得各种连续的复合增长率。

简单来说,当系统呈指数级连续增长时,如人口、放射性衰变、利息计算等。,可以用e来估计。

例如,每个数字都可以被视为1的缩放版本,每个圆也可以被视为单位圆的缩放版本。然后,以同样的方式,每一个增长率可以被视为一个以e为单位增长的比例版本。

因此,e不是一个晦涩的,看似随机的数字。e代表所有增长中的系统都是以基本增长率扩展的版本。

指数生长

让我们从一个基本系统开始,它将在时间上翻倍。例如:

细菌可以每24小时分裂一次

你选择了回报率100%的理财产品,你的钱每年翻一倍

这些更改应该如下所示:

在上面的例子中,1变成2,2变成4,以此类推,这可以称为裂变。数学上可以这样描述:当初始值拆分x倍时,相当于初始值翻倍。比如你分裂一次,就会得到两次;四次除法,你得到双倍。

一般增长公式如下:

换句话说,双增长可以表示为100%的增长。然后,增长公式可以改写为:

我们可以看到,原来公式中的2写成1+100%。

当然,我们可以用一个新的收益率来代替现有的100%,也就是在x个收益率期内,收益率就是收益率,一般的增长公式是:

再想一想。

我们上面引用的例子都假设增长是分阶段进行的。也就是说,细菌在等待,等待,然后爆炸,最后一刻翻倍;一年到期利息收入神奇地出现。所以我们把上面的生长看成是间歇性的,结果是瞬间的,导致上图中突然出现绿点,这是一个离散系统。

显然,现实世界并不总是这样。如果我们放大图片,我们会发现细菌会随着时间不断分裂:

绿点菌起初并不存在,后来逐渐从蓝点菌中生长出来。一个单位时间后,一个完整的绿点细菌生长。

这显然是一个连续的系统过程,但我们只是离散地观察结果。但是这会改变我们的等式吗?

当然不是。就细菌而言,半形成的绿色细菌在完全生长并与蓝色细菌分离之前是没有意义的。这个等式仍然成立。

金钱改变一切

那么有没有连续系统的连续观测?

我们可以考虑存钱和理财的例子。一旦我们开始赚取利息,钱就在不断地自我复制,不断地产生利息。你不必像之前的细菌一样,等到成熟的时候。

根据我们的旧公式,利息增加如下:

但还是那句话,上图并不完全正确:所有的兴趣都会在最后一天出现。

让我们放大,把一年分成两部分。我们每年赚取100%的利息,或者每六个月赚取50%的利息。因此,我们前六个月赚50美分,后半年赚50美分:

但这还是不够详细!当然,我们最初的美元一年赚一美元。但是六个月后,我们有了一枚50美分的硬币,在这个时候,我们不能忽视它。这50美分可以自己挣钱:

因为我们的利率是每六个月50%,这50美分可以赚25美分。一年后,我们总共可以给我们2.25美元。我们从最初的1美元中获利1.25美元,甚至比翻倍还要好!

回报增长的公式可以用另一种方式来写。在这两个半周期中,增长率都是50%,那么:

连续复合生长

同样,分为三个周期,增加33%。画出我们三个复合周期增长率的有趣图片:

12个月后的最终值为1+1+0.33+0.04,约为2.37。

我们赚了1.37美元,比上次的1.25美元要好!

我们能得到无限的钱吗?

为什么不花更短的时间?每个月,每天,每小时,甚至每纳秒?我们的回报会飙升吗?

如果我们在增长公式中尝试使用不同的N,总回报会随着N的增加而增加,但似乎不是无限的,而且这种趋势会逐渐放缓。

这个数字将在2.718左右收敛。

等等,这看起来像常数e吗!

这时候我们先介绍极限的概念,然后再来看这个公式。e定义为极限增长率,并保持100%的复合收益率,因此在日益细分的周期中:

这个极限是收敛的,它的值保持在2.718左右。

但这一切意味着什么?

数字e是一段时间内复合100%增长的最大可能结果。当然,一开始你想从1增长到2。但是每一个小小的进步,你都会创造一个小小的奖励,开始自己成长。当一切发生时,在一个时间段结束时,你会得到E,而不是2。e是最大值,当我们尽可能地复合时会出现的极限。

因此,如果我们从开始,以100%的回报率连续复合,我们得到1e。如果我们从2美元开始,我们得到2e。如果我们从11.79美元开始,我们得到11.79美元。

e就像一个速度极限,意味着你可以通过使用一个连续的过程来增长多快。你可能并不总是达到速度极限,但这是一个参考点:你可以用这个通用常数来获得其他增长率。

值得注意的是,增长需要与最终结果分开。1成为e意味着增长171.8%。至于本身,E是综合考虑所有细分市场的增长后的最终结果。

不同的增长率呢?

如果我们以每年50%而不是100%的速度增长,会怎么样?我们还能用E吗?

让我们看看。50%的复合增长率如下:

50%是总收益,n是细分周期数。如果我们选择n=50,即以1%的利息将增长分成50个周期:

我们如何知道这个公式的价值?

可以使用之前得到的极限公式。假设100%的固定利率分为100个1%的部分:

通过简单的对比,我们可以发现:

这很有趣。

50/100=0.5,这是我们提高e到的指数,一般来说,这似乎是有规律的:如果我们有300%的增长率,我们可以把它分成300个周期,增长率为1%,最终的增长极限应该是。

虽然增长看起来像加法,但我们需要记住它实际上是乘法。这就是为什么我们使用指数和平方根。

虽然我们选择了1%,但我们可以选择任何小的增长单位。关键是,对于我们选择的任何增长率,它只是一个新的E指数:

不同的时间段呢?

假设我们在两年内增长300%。我们可以把年增长率乘以他自己:

一般来说:

为什么e这么自然?

首先我们要知道,代表自然基数的符号E是由瑞士数学家、物理学家莱昂哈德·欧拉以欧拉的第一个字母“E”命名的。

但事实上,第一个发现这个常数的人并不是欧拉本人,而是雅可比·伯努利。

伯努利家族是17-18世纪著名的瑞士家族,其中有许多著名的数学科学家。雅可比·伯努利是约翰·伯努利的弟弟,而约翰·伯努利是欧拉的数学老师。总之,老板们千丝万缕。

他们找到常数e的方法是使用我们之前谈到的“复利模型”。

正常的银行虽然不会出台连续复利的优惠政策,但从本质上来说,大部分事情都处于“无意识持续增长”的状态。对于一个不断增长的东西,如果单位时间的增长率是100%,那么一个单位时间之后,就会变成原来的E倍。生物生长繁殖的过程就像“利润滚动”的过程。

有一个等角螺旋,可以表示为:

这是基于自然常数e的指数函数。

自然界中,有很多对应的例子。

例如,鹦鹉螺壳的剖面呈现出美丽的等角螺旋:

温带低压看起来也像一个等角螺旋:

甚至螺旋星系的旋臂也像等角螺旋:

也许,这些就是常数e被称为自然常数的原因之一。