数学里的 e 为什么叫做自然底数(3)

2019-03-15 18:01

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然后再找出收益最接近10倍,100倍,1000倍的年份指给土豪 土豪一看第4年、第7年、第10年就肯定超过预期收益,非常高兴!

经理用这张表查找收益,再找到最接近收益的大体年份的过程,就是利息的逆运算,是最简单的对数运算,这个表就是对数表的雏形。

其实这和我们根据加法表进行减法运算、根据乘法表进行除法运算是同一个道理。 例如知道了

好了,放松一下大脑,继续回来穿越历史。

对数发明的历史

据说4000多年前,古巴比伦时代的人们就发明对数和对数表了,但因为我没找到资料证实,只能从近代开始。

16、17世纪,英、法加入了大航海的行列,开始了美洲殖民地的开拓,远洋贸易变得日益频繁。那时的人们已经知道地球是球形,大海上船只的位置靠经纬度来确定。

纬度测定很容易,几千年前人们就知道,通过测量北极星的仰角,可以估算出船已经在南北方向航行了多远。但是经度的测量不是一般的困难。在茫茫的大洋上,如果无法准确测定船只的经度,代价会极为高昂。

1707年,四艘英国战舰击败法国地中海舰队回航,10多天的浓雾让舰队完全迷失,因为算错经度,舰队触礁,两千名士兵死亡。1714年英国悬赏2万英镑(相当于现代的2000多万人民币),寻求精确测得经度的方法。

,就可以很快知道

的除法逆运算结果了。

对于商人来说,与市场上的同类对手竞争,谁的航海定位越准确,意味着风险越低、利润越高。 对海军也是,同样的战舰,定位越准确,航行的时间越短,在战争中速度往往是决胜的关键。

经度的精确测量问题直到18世纪才得到有效解决,这归功于约翰·哈里森发明了高精度机械钟表。这段历史还被拍成了电影和记录片,推荐一本精彩的书《经度:一个孤独的天才解决他所处时代最大难题的真实故事》和罗辑思维的节目《击溃牛顿的钟表匠》。

击溃牛顿的钟表匠[罗辑思维]No.23

http://v.youku.com/v_show/id_XNTU3ODc1MzYw.html

但是在哈里森之前的数百年里,人们只能求助于天文学家来解决,因为天空就是人们最早、最精确的钟表,太阳、月亮、星星等天体就是上面的表针,读懂这个钟表,就可以知道时间和经度了。

天文学家观测天体,计算出运行的轨道,来预测未来几年每个时间点上天体所在的精确位置,英国天文学家以格林尼治天文台的时间为基准,再把时间和天体位置整理成详细的表格,公开出版发行。这套星表可不便宜,星表加上六分仪售价约20英镑,相当于现在2万人民币,即便这样也经常脱销。海上的人用六分仪测量天体,再去查那本高价天文表格,求得当地时间和格林尼治时间,知道两地的时间差,就知道现在的经度了。

16世纪和17世纪之交,天文学家第谷和开普勒通过大量的观测,绘制了当时最精确的星图,解决了天文学家天文数据精度不足的难题。有了高精度的星图,全欧洲的数学家开始了天体轨道的计算竞赛,很多科学家也因此获得了商业和学术上的丰厚回报。那时的天文学家、数学家可不是像现代这么冷门,更像当今那些IT、金融等热门行业里的精英一样,享受着人人羡慕的不菲高薪。

顺便说一下,日心说之所以能取代地心说,也是因为日心说模型更简洁,不仅计算起来更简单,而且预测非常准确,可以很好的解释行星逆行等现象,这是地心说完全做不到的。

即使这样,要想预测天体的运行,其计算也是极其繁琐和浩瀚的,在解决计算问题时,数学家们发明了大量崭新的数学理论和计算工具,包括对数、解析几何、微积分和牛顿力学等伟大的创新。可以说天文学是当时科学界最闪亮的宝石,是当时的高科技热门产业。

其中,对数的发明人就是約翰·納皮爾。

纳皮尔是天文学家、数学家,在计算轨道数据时,也被浩瀚的计算量所折磨。

\看起来在数学实践中,最麻烦的莫过于大数字的乘法、除法、开平方和开立方,计算起来特别费事又伤脑筋,于是我开始构思有什么巧妙好用的方法可以解决这些问题。\ --约翰·纳皮尔,《奇妙的对数表的描述》(1614) 《e的故事:一个常数的传奇 》

但纳皮尔不是一般人,不想像IT民工一样苦逼的重复劳动,于是用了20年的时间,进行了数百万次的计算,发明了对数和对数表,堪称学霸中的战斗机。

为了理解对数计算的优势,我们通过案例来说明,下面的表格里有两个数列:

第1行是自

然数,他们是等差的;

第2行是2的倍数,他们是等比的;

要计算第2行的等比数列中任意两个数的乘积,例如

先到第1行的等差数列,寻找对应的数,16对应4,64对应6; 然后做加法,

,再查找10所对应等比数列的1024;

得到计算结果就是

借助这个表,仅靠心算就可以用的加法,完成麻烦的16×64乘法。

,变为

,对应结果为8。

同样也可以进行除法变减法的运算,把

把这个表变的更长,就可以计算数值更大的乘法,这个表就是极度简化的对数表。 以上仅仅是对数的优点之一,对数的易于计算,大大减少了数学家、天文学家的计算量。 拉普拉斯认为“对数的发现,以其节省劳力而延长了天文学家的寿命” 伽利略说过“给我空间、时间及对数,我就可以创造一个宇宙。”

如果把对数表的数列设计成尺子,就成了计算尺。有兴趣可以读果壳网的《如果没有计算器,我们就用计算尺吧》

把直尺掰弯了就成了柱状算尺,像不像风水大师的道具?

微积分中的e

有人说:我不懂微积分和导数,估计看不懂!

没关系!你可以这样理解,积分是升维的过程,微分是降维的过程。 例如

把一张张纸叠起来变成厚厚的词典,这是从2维变成3维的升维,这是积分;

把一大块羊肉,切成一片片羊肉片,就是从3维为变2维的降维,这是微分。

在微积分中,底数为e的指数函数

举个例子: 西瓜都切过吧?

无论你怎么切一个实心球,其横截面都是圆面,也就是3维降2维,还是和圆有关。 2维的圆面也是有很多1维的同心圆组成,也就是2维降1维,还是和圆有关。 如上所说,球被降维了2次还是和圆有关,π这个常数你是甩不掉的。 这一点对更高维度的球也适用,参见n维球面。

也是这样,而且比球面更厉害 无论如何降维,

总是老样子,一点儿都没变!

,其导数还是这个函数

,也就是不论求多少次导数,其

导数就像一个常量一样永远是恒定的。不知道别人的感觉如何,反正我第一次知道时是很惊奇的。

就好像你切掉孙悟空的一部分,你以为是一小块肉,睁眼一看,居然是另一个孙悟空,而且一样大! 太匪夷所思、太好玩儿了!大刘!我知道怎么化解《三体》外星人的降维攻击了! 下面就是

在直角坐标系中的样子


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