函数公式网 高中函数 e,不变的传奇

e,不变的传奇

无法用语言表达

只能理解

自然对数的底数 e 是一个不可思议的常数。

lim (1 1/n) n 定义的一个常数,其实在数学和物理中经常出现,可以说是无处不在。 这着实让我们不得不对这个神奇的数学世界产生敬畏之情。

每当谈到e,一个必须提到的公式就是欧拉恒等式——号称世界上最美的公式。

数学中最基本的五个常数——0、1、pi、自然对数的底e和虚数单位i,以及数学中最基本的两个符号等号和加号, 通过一个简单的身份连接在一起,这确实令人印象深刻。

这个方程有一个几何直观的解释。 实数可以用实数轴上的向量表示,旋转这个向量相当于乘以一个虚数i。 以此为基础,建立以实数为横轴,虚数为纵轴的坐标系。 实单位向量,每逆时针旋转π/2,可分别得到结果1,i,-1,-i,1。 即转4圈后回到原位。 而当实单位向量保持长度不变,旋转角度θ时,得到的向量为:cosθ isinθ。 根据欧拉公式e=cosθisinθ,可知e表示将实单位向量1旋转角度θ得到的向量。 所以e表示单位向量逆时针旋转π,显然是-1。

增长定律

这个世界上有很多东西都满足这个变化定律:增长速度与变量本身的大小成正比。 例如,当放射性元素衰变时,衰变率与存在的放射性物质的数量成正比; 在资源无限的社会中,出生率将(大约)与现有人口成正比,等等。 而这种变化规律所确定的解,则用以e为底的指数增长来描述:若x的变化率等于变量x本身的λ倍,则变量随时间t的函数为

其中 C 是任意常数。

正态分布

正态分布是自然科学和行为科学中定量现象的统计模型。 已发现各种心理测试分数和物理现象(例如光子计数)大致遵循正态分布,尽管这些现象的根本原因通常是未知的。 理论上可以证明,如果把很多小的影响加在一起作为一个变量,那么这个变量就服从正态分布。

正态分布在生活中无处不在。 多次重复测量一个物理量,测量值一般呈正态分布; 瓶装可乐的实际体积也服从正态分布; 一大群人的寿命分布、智商分布等也是正态分布的。 而在正态分布的表达中,e也神奇的出现了。

伽玛函数与斯特林公式

阶乘运算n! 它最初是在正整数上定义的。 泛化是数学家最喜欢做的事情,所以阶乘函数也不能幸免。 将阶乘函数扩展到复数时,我们要找的函数是一个通过所有(n 1,n!)个点的函数。 所谓伽玛函数Γ(x)满足这个性质,伽玛函数的表达式中出现了e:

阶乘n! 与e还有另一个神秘的联系。

当n趋于无穷时,n! 满足如下近似关系——斯特林公式:

(“~”符号表示同阶,可以粗略地认为当n趋于无穷大时近似等于)

如果要计算一个大的阶乘值,而位数有限,不能直接用计算机计算,可以用斯特林公式来近似计算。

调和级数

所谓调和级数就是1 1/2 1/3 1/4 … 1/n …. 是发散级数。 当n趋于无穷大时,和也将趋于无穷大。 但也是一系列的发散,发散也有快慢之分。 调和级数的发散速度是多少? 伟大的欧拉发现的一个著名极限给出了答案:

因此,调和级数的发散速度与以e为底的对数——ln函数的发散速度完全相同。

质数与e

质数(或素数)是指除1和它本身外,不能被其他自然数整除的数。 素数看似与e无关,但素数分布理论指出,素数的分布与e密切相关。 如果用π(x)表示不大于x的素数个数(注意这里的π不是pi!),那么素数分布中心定理指出

或者可以是 写成

注意ln是以e为底的对数。 看,e只是出现在了看似无关的领域!

悬链线

数学史上有一个著名的问题,叫做悬链线问题:一条柔软不可伸长的链条,两端固定在空间的一个不动点上(这两点 不必高度相同),链条形成的曲线是什么曲线? 这个问题与最快下降线问题大约同时被问到,而且参与者大多是相同的。 早在文艺复兴时期达芬奇就对其进行了研究,可惜一直没有得到答案。 伽利略猜想答案是一条抛物线,这与很多人最初的感觉是一致的,但后来被惠更斯在 17 岁时证明是错误的。

与最陡直线问题一样,其中一个 伯努利兄弟曾公开征求答案,但这一次是雅各布兄弟,他在 1690 年发表在《教师学报》上,解决了这个问题。 1691 年 6 月,即雅各布提出问题一年后,教师学报发表了惠更斯(当时 62 岁)、莱布尼茨和约翰·伯努利提交的三个正确答案。 三者的方法不同,但最终的结果是一样的。 但雅各布自己却无法解决,这让他的弟弟约翰·伯努利非常兴奋。

悬链线的正确方程是这样的:

它的发现被认为是当时新微积分取得巨大成就的重要标志。 现在,这条悬链线在密苏里州的世界著名地标圣路易斯拱门中永垂不朽。

e一次又一次地像幽灵一样出现在各个地方,常常给人们带来惊喜。 而以上只是冰山一角。

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