自然常数e究竟为什么自然?

学术   2024-12-02 10:56   北京  

摘要:本文将从常微分方程求解的视角,来分析自然常数  在其中发挥的重要作用。一个值介于2和3之间的常数  ,为何能称为自然常数?由于它在一定意义上刻画了自然界中普遍存在的变化规律,我们要到常微分方程中揭开它的神秘面纱。


一、自然界中无处不在的  


只要我们一搜罗,就不难发现在自然界的很多现象中都能看到自然常数  的影子。似乎只要涉及生长、繁衍、演化等连续的运动与发展,自然数就会出现。


生物的繁殖,种群的增长

放射性原子的衰变

大自然中无处不在的等角螺线

飞蛾扑火的轨迹、向日葵籽的排列

鹦鹉螺的外壳切面

热带低气压的外观

漩涡星系的旋臂

……




具体以鹦鹉螺的外壳切面是一个等角螺线为例。在极坐标系下,等角螺线的方程是  ,其对应的微分方程是  。也就是说,螺线的半径随着角度的增大而增大,且增长率是与半径成正比例的。事实上,正如大自然中的很多生物一样,鹦鹉螺的体积越大,新增体积也就越大,所以需要按照等角螺线设计的外壳来容下它们的躯体。

类似地,理想环境下的种群数量变化也是如此,种群数量越大,种群的增长速度也就越快,种群数量的变化率是和当前种群数量  相关的,可以简述为  。



二、为什么  这么“自然”


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。


三、历史上关于  的由来




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?

END



来源:数学经纬网

编辑:4925


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