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神奇的超越數e

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e
這個常數,在數學裏,叫做自然對數的底,為了紀念數學家尤拉,也叫尤拉數。

e的定義是:當n—>無限大時,(1+1/n)^n=e=2.71828182846….

e可以透過把(1+1/n)^n 做二項式展開而計算出來,n愈大(1+1/n)^n就愈逼近e

(1+1/n)^n 做二項式展開(其中C(nm)代表n!/((n-m)!*m!))

=C(n0)*1^n*(1/n)^0+C(n1)*1^(n-1)*(1/n)^1+C(n2)*1^(n-2)*(1/n)^2+C(n3)*1^(n-3)*(1/n)^3+…+C(nn)*1^0*(1/n)^n

=1*1+n*(1/n)+n!/((n-2)!*2!))*(1/n)^2+ n!/((n-3)!*3!))*(1/n)^3+…+1*(1/n)^n

=1+1+(n*(n-1))/(2!n^2)+(n*(n-1)*(n-2))/(3!*n^3)+…+(1/n)^n

(這個二項式展開,維基百科有比較容易閱讀的的表達方式)

n—>無限大時,前式變成:

e=1+1+1/2+1/6+…= 2.71828182846…

e為底的對數寫成Ln, 以有別於以10為底的Log

在雙曲線下,介於1e之間的面積剛好為1。把雙曲線1/x1e做積分:∫1/x=ln|x| ln(e)-ln(1)=1

e也可以定義為階層倒數1/n!無窮級數的和:

e=1/0!+1/1!+1/2!+1/3!+…+1/n!

而其實,這就是(1+1/n)^n 二項式展開當n趨進無限大時的式子呢!

e有一個特點,是一個超越數,超越代數數的意思。

整係數的代數式a0X^n+a1X^n-1+…an-1X+anX(其中a0, a1,…,an是整數,n為自然數,且a≠0)的根,稱為代數數。e不是任何代數式的根,所稱之為超越代數數的超越數。

尤拉首先提出「超越數」的概念,但一直到100年後的1844年,才由法國數學家證明了超越數的存在。

尤拉最有名是結合了複數的概念(i=(-1)^1/2; -1開根號)提出了尤拉公式 e^i𝝅+1=01873年法國數學家厄爾米特借助尤拉公式,證明了𝝅也是超越數,不是任何整係數代數方程式的根。

e的應用上,科學家用於計算火箭推力。

v=w*ln(z),其中 v是速度;w是火箭發動機排氣速度;z是火箭起初質量和發動機的質量比。

只要三級火箭即可產生足夠的速度:3wLn(z)=3*3Ln3~10千米/>8 千米/秒的第一宇宙速度而到達運行軌道。

在銀行業裏,計算利息的公式是:

A=p(1+r/n)^nt

A:本利和;p:本金;r:年利率;n:一年內計算利息的次數;t=存錢年數

假設當期初存1(p),年利率100%(r),那麼如果存1(t),套用e=(1+1/n)^n  這個公式,那麼一年的本利和(A)就是e元了。(e=2.7182818284590452353602)

當然,這個假設100%利息是為了產生e這個本利和的,用來認識e這個超越數。如果利率不等於100%,就得回到p(1+r/n)^nt這個複利公式去計算了。

e在運用上最廣人知的是指數函數 f(x)=e^x

由於f(x)的微分f’(x)和自身是相等的,可以寫成f(x)=f’(x),縱使把指數函數放大k倍,成為ke^x,它各別的微分導數也是相同的。f(x)代表函數在x這個點上的高度,而f’(x)x這個點上的斜率,兩者相同就是指數函數最大的特點了。

*:《數學公式的由來》,紀素雲 

2022/8/26 神奇的超越數e Damakey

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