数学的应用
这里的e是数字的符号,我们要说的是e的故事,这就让人有点好奇了。要成为一本书,这个数字应该是众所周知的,或者至少是著名的。但是在搜索枯肠的时候,大多数人能想到的重要数字,除了众所周知的0和1之外,大概只有π和圆有关,这就很神奇了,再加上虚数单位的i=√-1。这个e是谁?
高中数学,大家都学过对数的概念,也用过对数表。教材中的对数表是以10为基数的,称为常用对数。课本上也简单提到过,有一个对数的底数是无理数E = 2.71828...叫做自然对数,这个E就是我们故事的主角。不知道是不是让你更迷茫了。在十进制中,用这么奇怪的数做底数,是不是比用10做底数更自然?更让人好奇的是,这样一个陌生的号码有什么故事?
这就要从古代说起了。这个数至少在微积分发明的半个世纪前就被提到了,所以它虽然经常出现在微积分中,但并不是和微积分一起诞生的。那么是在什么情况下出现的呢?一种可能的解释是,这个数字与利息的计算有关。
我们都知道什么是复利,就是利息可以随本金再生。但本息之和取决于计息周期。一年里,利息可以一年只算一次,也可以半年一次,也可以一季一次,一个月一次,甚至一天一次。当然,利息期越短,本息和就会越高。有人因此好奇,如果利息期无限缩短,比如每分钟一次,甚至每秒一次,或者每时每刻(理论上),会发生什么?本金和利率会无限增加吗?答案是否定的,它的值会稳定下来并趋近于一个极限值,极限值中出现了数字e(当然当时这个数字还不叫e)。所以在现在的数学语言中,e可以定义为一个极限值,但当时根本没有极限的概念,所以e的值应该是观察出来的,而不是通过严格的证明得出的。
包罗万象的e
恐怕读者一直在想,仅仅计算利息应该还不足以讲一整本书。当然不是。兴趣只是很小的一部分。令人惊讶的是,这个与计算复利密切相关的数字,其实与数学不同分支的很多问题都有关系。在讨论e的由来时,除了复利计算,其实还有很多其他的可能。虽然问题不同,但答案都是由不同的路线指向数字e。比如其中一个著名的问题是求双曲线y = 1/x下的面积,双曲线和计算复利有什么关系?无论你怎么横着看,怎么竖着看,怎么坐着想,都想不出个所以然来,对吧?不过这个面积是计算出来的,但是和e关系密切,我只是举了个例子,这本书里还有更多。
如果整本书只讲数学,还讲故事,那就太尴尬了。其实作者在讨论数学的同时,穿插了很多有趣的相关故事。比如,你知道谁发明了第一张对数表吗?是约翰·耐普尔。没听说过?这很正常,我也是看了这本书才认识他的。问下一个问题很重要。你知道纳皮尔花了多长时间构建整个对数表吗?请注意,这发生在16世纪末17世纪初,更不用说电脑和计算机了。根本没有计算工具。所有计算只能用纸笔慢慢做,不能用对数,以简化计算。所以纳皮尔用了二十年的时间来建立他的对数表,这太不可思议了!试着想象20年来每天都做同样单调乏味的计算。这种无聊的日子,对于普通人来说,绝不是难以忍受的。但纳皮尔活了下来,他的努力得到了回报——对数受到了热切的欢迎,被欧洲乃至中国的许多科学家采用,甚至纳皮尔也受到了来自世界各地的称赞。在最早使用对数的人中,包括著名的天文学家开普勒,他用对数简化了复杂的行星轨道计算。
《毛奇说》中有许多有趣的事实是我们在普通数学教科书中读不到的。比如第一本微积分教材是谁写的?(如果你吃过微积分课程的苦,你也会想知道“始作俑者”是谁吧?)是罗比达先生。是的,这是洛比达医院的规定。但是是约翰·伯努利首先发现了罗比达定律。但这与抄袭无关。他们之间有协议。
说到伯努利,有一个故事。这个家庭真的很神奇。别的家庭可以笑出个天才,他们的天才被形容为“量产”。伯努利在数学领域已经活跃了一百年,他们的很多成果(不仅仅是数学领域的)即使随便罗列出来也有一本书那么厚。但是,还有一件事是这个家擅长的,那就是不讨人喜欢,那就是吵架。家人吵架还不够,还和外面的人吵架(可以说是“表里如一”)。连父子都中了大奖,父亲很不满意。他觉得应该是自己的,气得把儿子赶出了家门。比起很多现代的“孝子”,这位父亲应该感到惭愧。
e的“影响”不仅限于数学领域。自然界中向日葵的种子排列和鹦鹉螺壳上的图案都是螺旋的形状,螺旋的方程由E定义,E也用于构造尺度,如果一条链两端固定,松散悬挂,如果用数学公式表示其形状也需要使用。所有这些与计算利率或双曲面积无关的问题都与e有关,这不是很奇妙吗?
数学其实没那么难!
我们每个人在成长过程中都读过很多数学,但在很多人的心目中,数学似乎是一门枯燥甚至可怕的学科。尤其是到了大学微积分,定义、定理、公式无处不在,令人望而生畏。我们害怕一门学科的原因之一是我们有距离感。微积分里的那些东西好像是凭空冒出来的,对它没有感觉,感觉跟我没关系。如果我们知道微积分是怎么进化的,是谁发明的,发明的时候发生了什么(微积分是谁发明的争论了很多年,对数学的发展影响很大),发明者是什么样的等等,这种距离感应该会减少甚至消失,微积分也就不再是“陌生人”了。