说起数学里最有名的数,大多数人第一个想到的都是圆周率π,学校里都学过,圆周长除以直径得出来的那一个,约等于3.14。
还有一个数在理工科课本里出现的次数不比π少,听过名字的人却少得多,这个数叫e,大约等于2.71828。
e头一回露面是在一笔账里。在1683年,数学家伯努利研究的是复利这么个问题,本钱1块,年息100%,一年下来能拿到多少钱。
最简单的算法是年底结一次,年底到手2块。要是半年结一次,头半年的利息跟着本金一块儿滚,下半年按1.5块的本钱算,年底1.5再乘1.5,到手2.25块。再细一些,一个月结一次,到手大约2.61块;按天结,到手大约2.71块。
结算次数越来越多,到手的钱也跟着多起来,可这个数往上窜是有顶的。次数加到无穷,最后顶住的那个值大约是2.71828,再也多不出去了。这几种算法搁在今天的账上一样认,平日里说的年化收益率也是这个道理,结得勤一些,同样的年息拿到手的就多点。
伯努利把这个极限值算了出来,往后给这个数起名、把这摊东西系统铺开的,是欧拉。
按理来说,一个从账本上算出来的数,本该老老实实待在算钱的那一摊事里,跟自然界扯不上关系,但是实际上细菌怎么长、一杯水怎么凉、一堆数据怎么堆成钟形,全都由这一个数管着,这是怎么回事呢?
这个现象的根子在性质上头,凡是一样东西,变化的速度跟当下这份量成正比,e就自动出现在描述里头。
这句话听着绕,拿手边的东西一对就清楚了。一杯热茶放在桌上,刚倒下来烫嘴,温度掉得也快,放一阵子温了,再往后半天才凉那么一点点。
这就是牛顿冷却定律讲的事,温度降得多快,取决于比室温高出多少,差得越多降得越快,差得越少降得越慢。
反过来的方向也是同一副样子。一团细菌在培养皿里长,一份变两份,两份变四份,总数越多新产出的越多,长得越来越快。
一块放射性材料放着衰变,剩下的核越多,单位时间里塌掉的就越多,剩下越少塌得也越慢。电容通过电阻放电也是这一回事,残余电压越高电流越大,放得越快,越往后越慢。
这些事情看着八竿子打不着,凉一杯水,长一团菌,衰变一块材料,放空一个电容。中间的共同处只有一条,变化的快慢由当下还剩多少、或者已经堆了多少来定。
只要扣住这一条,式子写到最后一定把e写出来。这就是自然常数这个名字的来处。"自然"两个字落在这一位头上,讲的是这一个数管着自然界里最不打眼的两种运动,一种是往上涨,一种是往下消。
可能有一些网友好奇,课本里还有一个看上去更玄的式子,跟e有什么关系没有。那个式子写出来很短,e的iπ次方再加1,等于0,名字叫欧拉恒等式。
这个式子扎眼的地方在于,e、虚数单位i、圆周率π、还有1和0,数学里最要紧的五个符号,被一个等号串到了一起。这里头的i,说的是-1的平方根,实数里找不出这么一个数,才专门造了这个符号出来。
e来自利息,是从账本上下来的;π来自圆,是从尺寸上量出来的;i是为了解一类本来解不开的方程专门造出来的。
三样东西的来历各不相同,谁也没打算凑到一块儿,最后愣是被一个等式摁在了一起,难怪有人把这短短一行叫作宇宙暗语。
以e为底的对数也有个专门的名字,叫自然对数,后来理工科的课本几乎翻到哪一本都躲不开这几个字。
统计这一头也有e。同一件东西量上几十次,结果总是绕着真值散开;一个班考下来,分数也是两头稀、中间厚。这条大家都很眼熟的钟形曲线叫正态分布,撑起这条曲线的,正是带着e的一个指数函数。
这不,凡是要拿一堆数据去估结果的场合,这条曲线都在背后盯着。声学里分析一段声音的成分,金融上给一份合约定价,一批产品里抽检合格率,看的都是这一个钟形。
有一位物理学家给过这么一句评价,圆周率告诉你空间怎么弯,e告诉你时间怎么流。前一句说的是攥得住的形状,后一句说的是再过一阵会变成什么样。
谁也没有专门为着描述大自然去设计这个数。在1683年伯努利坐下来算这笔账的时候,桌上摆的是账本,心里盘的是利息怎么算才不吃亏,算到最后撞出来的东西,任何一个账都装不下。
从一杯水怎么凉下去,到一皿细菌怎么长起来,再到一堆数据为什么偏偏挤成钟形,站在底下的都是同一个数。
大自然从来没有开过口,人是从一笔利息里,把这句话听出来的!
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