数学史
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数字 $e$ 和复利
在到达欧拉之前,数字$e$经过了银行。金钱的词汇来自拉丁语: depositum(放入的内容,来自 ponere),creditum(被信任的内容,来自 credere,相信)和 juro(来自jus,juris,右侧)。
想象一下,每年 **100% 的 R$ 100**。如果银行只向您付款一次,在年底,您会收到 R$ 200。但如果他把一年分成几个时期并支付利息呢?
| 一年中的各个时期 | 每期费率 | 帐户 | 年底的时候 |
|---|---|---|---|
| 1(每年) | 100% | $(1 + \frac{1}{1})^1 = 2$ | R$ 200,00 |
| 2(每六个月) | 50% | $(1 + \frac{1}{2})^2 = 2{,}25$ | R$ 225,00 |
| 4(季度) | 25% | $(1 + \frac{1}{4})^4 \approx 2{,}4414$ | R$ 244,14 |
| 12(每月) | ≈ 8,33% | $(1 + \frac{1}{12})^{12} \approx 2{,}6130$ | R$ 261,30 |
| 365(每日) | ≈ 0,27% | $(1 + \frac{1}{365})^{365} \approx 2{,}7146$ | R$ 271,46 |
对于 $n$ 个周期,大写字母 $C_0$ 变为
$$C_n = C_0\left(1 + \frac{1}{n}\right)^n.$$
最终值会增长,但并非没有限制:它接近一个既不是整数也不是分数的数字。
$$\begin{aligned} \left(1 + \tfrac{1}{10}\right)^{10} &= 2{,}5937\ldots \\ \left(1 + \tfrac{1}{100}\right)^{100} &= 2{,}7048\ldots \\ \left(1 + \tfrac{1}{1000}\right)^{1000} &= 2{,}7169\ldots \\ \left(1 + \tfrac{1}{10\,000}\right)^{10\,000} &= 2{,}7181\ldots \\ \left(1 + \tfrac{1}{100\,000}\right)^{100\,000} &= 2{,}7182\ldots \end{aligned}$$
$$\lim_{n \to \infty}\left(1 + \frac{1}{n}\right)^n = e = 2{,}718281828\ldots$$
雅各布·伯努利 (Jakob Bernoulli) 已经在 1683 中研究了这个极限,但没有给它命名。欧拉将其命名为 $e$ 并 证明它也是一个级数的和:
$$e = 1 + \frac{1}{1} + \frac{1}{2 \cdot 1} + \frac{1}{3 \cdot 2 \cdot 1} + \frac{1}{4 \cdot 3 \cdot 2 \cdot 1} + \cdots = \sum_{k=0}^{\infty}\frac{1}{k!}$$
在Introductio (1748)中,欧拉计算了$e$的第23位小数。
Scribatur pro numero,其对数为unitas, e, qui est 2,7182817…(对数为单位的数写为e。)
— 莱昂哈德·欧拉,1727–1728 的手稿
字母 $e$ 的路径:
- 1614John Napier 发布了Mirifici Logarithmorum Canonis Descriptio,第一个对数表。
- 1618爱德华·赖特 (Edward Wright) 制作的纳皮尔作品英文译本的附录中包含我们今天称为 $e$ 的底数的对数。
- 1647Grégoire de Saint-Vincent 显示双曲线下方的面积以对数增长。
- 1668Nicolau Mercator 在 Logarithmotechnia 中给出了名称 logarithmus naturalis(自然对数)。
- 1683雅各布·伯努利研究复利的极限。
- 1727Euler 在一份仅在 1862 上发表的手稿中使用了字母 $e$。
- 1748在简介中,欧拉将$e$写成一个级数,并计算23位小数。
**为什么是“自然”?**因为它是具有最简单导数的对数。使用定义 $e$ 的限制 (对于 $n = x/\Delta x$,当 $\Delta x$ 变为零时,它变为无穷大):
$$\begin{aligned} \frac{d}{dx}\ln x &= \lim_{\Delta x \to 0}\frac{\ln(x + \Delta x) - \ln x}{\Delta x} = \lim_{\Delta x \to 0}\frac{1}{\Delta x}\ln\left(1 + \frac{\Delta x}{x}\right) \\ &= \lim_{\Delta x \to 0}\frac{1}{x}\cdot\frac{x}{\Delta x}\ln\left(1 + \frac{\Delta x}{x}\right) = \frac{1}{x}\lim_{n \to \infty}\ln\left(1 + \frac{1}{n}\right)^{n} \\ &= \frac{1}{x}\ln e = \frac{1}{x}. \end{aligned}$$
然后是最著名的属性$e^x$。如$\ln(e^x) = x$,两边求导:
$$\frac{1}{e^x}\cdot\left(e^x\right)' = 1 \quad\Longrightarrow\quad \left(e^x\right)' = e^x.$$
$e^x$ 是等于导数本身的函数。这个属性是发现4的关键,关于 微分方程。
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