既然自然界中有很多的现象都符合上述微分方程所表示的变化规律,即某一个量的变化速度与它本身的值成比例。那么面对这样很简单的变量关系所对应的常微分方程,我们能否求解?假设此时我们并不知道 的解,从初等函数中的指数函数 出发,希望能找到满足微分方程 的函数 。根据导数的定义我们可以进行如下计算:
要使得 则需要 反推出希望
而这就是我们现在关于自然常数 的定义。所以自然常数 就是这个天选之子,以它为底的指数函数 巧妙地满足“导函数等于其本身”的性质。对应到现实世界中,就刻画了某个量的变化率与自身成比例的变化规律。
最后,我们聊聊 在历史上是怎么被发现的。据说在1683年,瑞士数学家雅各布·伯努利(1654-1705年)在研究复利时发现了一个有趣的现象。如果我们在银行存入1万元,年利率是100%,如果每半年结算一次,半年利率是50%。由此可得,第一种投资方法下获得本息2万元,而第二种投资方法下获得本息2.25万元。以此类推,如果利息结算周期越短,似乎收益就会越高。以每月结算一次,利率是 为例,则收益将近2.61304万元。接着我们考虑极端情况,当结算周期无限缩短时,复利收益会是多少呢?用数学公式来看,就是下面这个极限式的值。(其中 代表计息周期的次数, 是每个计息周期的利率) 当时伯努利并没有计算出这个数的精确值,只知道它介于2和3之间。
而在1690年,莱布尼茨在给惠更斯的信中,首次提到了自然常数,不过他没有用 表示,而是用 表示的。1727年欧拉(1707-1783年)开始用 来表示这个常数,而 第一次在出版物中用到,是1736年欧拉的著作《力学》中。所以很多人猜测,字母“ ”代表欧拉的名字“ ”的首字母。更有趣的是,在1743年欧拉已经用指数代换 给出了关于 阶常系数线性齐次方程的完整解法。想必这时他已经发现了以自然常数 为底数的指数函数在求解微分方程中的作用了。而 第一次被用到微分方程中,应该是要更早了。如果没有伯努利关于复利问题的研究这个故事,我们甚至大胆猜测,当年的数学家们为了找到可以满足“导数是其本身”这一性质的函数,人为地以极限来定义了这样一个数 呢?