在漫长的人类发展史中,人们对“无穷”与“极限”的认识越来越深刻,最终发现了数学中“最自然”、“最美”的一个数:“e”。
欧拉恒等式
但凡说起e,一个必定要提到的公式就是欧拉恒等式——被誉为世界上最美丽的公式。
这个等式有一个几何的直观解释,一个实数在实数轴上可以用一个向量表示,旋转这个向量,就相当于乘以一个虚数i。据此建立一个以实数为横轴,虚数为纵轴的坐标系。实单位向量,每次逆时针旋转π/2,可以分别得到结果1,i,-1,-i,1,即旋转4次以后就回到了原位,而当实单位向量保持长度不变旋转θ角度,得到的向量就是:cosθ+isinθ,根据欧拉公式eiθ = cosθ+isinθ可以看出 eiθ 就代表实单位向量1旋转θ角后而得到的向量,所以 eiπ 意味着单位向量逆时针旋转了π,结果显然是-1。
调和级数
所谓调和级数,即1+1/2+1/3+1/4+…+1/n+...。它是一个发散级数,当n趋于无穷大的时候,这个和也将趋于无穷大,但是同样是发散的级数,发散也有快慢之分。调和级数发散速度是怎样的呢?伟大的欧拉发现的一个著名极限给出了答案:
因此调和级数的发散速度和ln函数的发散速度一致。
奇妙的螺线
e在很多方面都有着极为重要的作用,比如数学中一种重要的曲线——螺线,还有正态分布,弹簧振子的运动,RC电路,人口增长模型等……e在许多螺线方程的表达式中扮演着不可或缺的作用。比如,我们将指数函数e^x作极坐标变换,那么在极坐标系下,它的图像就变成了如下图的样子,这叫对数螺线,又叫等角螺线。之所以叫等角螺线,是因为在下图中,从原点出发的任意一条射线,和螺线所成的角度始终是相等的,是固定值。
在自然界中,有许多和等角螺线相像的自然现象,比如旋涡星系的旋臂,蜘蛛网的构造,玫瑰花的花瓣,鹦鹉螺的贝壳等等,或许这与e被称为自然常数有一定的关系。
作为自然常数,e不仅是一个没有确定数值的无理数,也是独一无二的超越数,除了在数学中,它还存在于自然科学的各个领域。或许,是因为它的“自然”和“独一无二”,才造就了它不一般的奇妙。
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