问题

e 是怎么算的?

回答
e 的计算,也就是那个神奇的自然对数的底数,可不是一个一拍脑袋就冒出来的数字。它背后藏着数学家们对“增长”和“极限”的深刻理解。咱们一步一步把它掰开了揉碎了讲清楚,保证你听完觉得这玩意儿确实是自然界的规律在数字上的体现。

最直观的理解:复利的神奇之处

想象一下,你有一笔钱,比如说1块钱,然后你想让它增长。最简单的方法是每年给你100%的利息。

一年后: 你有 1 + 1 = 2块钱。
如果每半年付一次利息,年利率仍然是100%:
半年后:1 + 1/2 = 1.5块钱。
再过半年:1.5 + 1.5 (1/2) = 1.5 (1 + 1/2) = 2.25块钱。
发现没?比一年一次利息多赚了。

如果每季度付一次利息,年利率还是100%:
每季度利率是 100%/4 = 25%。
一季度后:1 + 1/4 = 1.25
两季度后:1.25 + 1.25 (1/4) = 1.25 (1 + 1/4) = 1.5625
三季度后:1.5625 (1 + 1/4) = 1.5625 1.25 = 1.953125
四季度后:1.953125 (1 + 1/4) = 1.953125 1.25 = 2.44140625
继续增加!

规律来了: 如果你把一年100%的利息分成 n 份,每份的利率是 1/n,然后一年付 n 次利息,那么一年后你拥有的钱会是:

(1 + 1/n)^n

随着你把利息分割的次数 n 越来越大,也就是说,你让利息 “无限细分”,复利的增长就越接近一个特定的值。这个值,就是 e。

当你把 n 趋向于无穷大的时候:

e = lim (1 + 1/n)^n (当 n → ∞ 时)

这个公式告诉我们,e 是连续复利下,1块钱经过一年增长后变成的总额。你可以试试计算一下 (1 + 1/100)^100、(1 + 1/1000)^1000,你会发现结果越来越接近一个固定的数字,大约是 2.71828。

另一种角度:微小增长的累积

咱们再换个角度看。设想一个函数 y = a^x,其中 a 是一个正数。我们想找到一个特殊的 a,让这个函数在任何一点的 瞬时增长率 都等于它在这一点的值本身。

什么叫瞬时增长率?你可以理解为在某个点上,函数值变化的速度。在微积分里,这个用 导数 来表示。所以,我们想找的那个特殊的 a,使得:

d/dx (a^x) = a^x

牛顿和莱布尼茨他们发现了,只有当底数 a 是那个神奇的 e 的时候,这个等式才会成立。也就是说:

d/dx (e^x) = e^x

这个性质太重要了!它意味着 e^x 的增长速度总是和它当前的大小成正比。这在自然界里太常见了!比如人口增长(在不考虑资源限制时)、放射性物质衰减、甚至某些生物的繁殖,它们的增长速度都与它们现有的数量有关。

e 的泰勒级数展开:更精确的计算方式

虽然上面的 (1 + 1/n)^n 公式能让你理解 e 的来源,但要精确计算 e 的值,我们还得请出 泰勒级数 这个大杀器。

任何人都可以把一个函数在某个点附近“展开”成一个无穷多项式。对于 e^x 来说,在 x=0 点展开(也叫麦克劳林级数)是这样的:

e^x = 1 + x + x²/2! + x³/3! + x⁴/4! + ...

这里的 `n!` 表示 n 的阶乘,比如 3! = 3 2 1 = 6。

如果我们想计算 e 的值,只需要把 x = 1 代入上面这个公式:

e = e¹ = 1 + 1 + 1²/2! + 1³/3! + 1⁴/4! + ...

e = 1 + 1 + 1/2 + 1/6 + 1/24 + 1/120 + ...

这个公式是计算 e 最为直接和常用的方法。你只需要从左边一项一项地加下去,每一项都更小,所以这个无穷级数会越来越快地收敛到一个确定的值,也就是 e。

加第一项:1
加两项:1 + 1 = 2
加三项:2 + 1/2 = 2.5
加四项:2.5 + 1/6 ≈ 2.6667
加五项:2.6667 + 1/24 ≈ 2.7083
再加几项,结果就非常接近 2.71828 了。

总结一下 e 的计算:

1. 复利思想: 理解为连续复利下,1块钱一年后的增长额。公式是 `lim (1 + 1/n)^n`。
2. 微积分性质: e 是唯一一个底数,使得 `a^x` 的导数等于它本身。即 `d/dx(e^x) = e^x`。
3. 泰勒级数: 最实用的计算方法,通过无穷级数 `1 + 1 + 1/2! + 1/3! + ...` 来逼近。

e 的存在,让很多原本复杂的问题变得简洁。从金融领域的复利计算,到物理学中描述衰变或增长,再到概率论中的正态分布,e 无处不在,它就像一个隐藏在自然界规律背后的“代码”。而它之所以是这个值(约 2.71828),正是这些“增长到极致”或“瞬时增长率等于自身”的数学概念所决定的。

网友意见

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e的算法相当的多,最经典的有 等。然而这些式子都隶属数学分析的范围。因此,我们不妨绕开分析到数论的板块来看一看。我们的旅程将从一个无穷级数开始……

Dirichlet卷积与幂级数

对于任何一个数论函数a(n),有:

其中当 时,可知:

而当 时,可得:

黄金分割

分别将 代入(1)和(2),则有:

因此根据 ,有:

对两侧求指数,得:

于是现在e和黄金分割也能被联系在一起辣!

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