Eulerio skaičius e — apibrėžimas, savybės ir panaudojimas
Atraskite Eulerio skaičiaus e apibrėžimą, savybes, istoriją ir praktinį panaudojimą eksponentinėse funkcijose — aiškus vadovas studentams ir matematikams.
e yra matematinė konstanta, maždaug lygi 2,71828182845904523536... Ji dažnai vadinama Eulerio skaičiumi (dėl šveicarų matematiko Leonhardo Eulerio) arba Napiero konstanta (dėl škotų matematiko Džono Napiero). Matematinė konstanta e — kaip ir π ar i — užima svarbią vietą matematikoje. Tai iracionalusis skaičius (jo skaitmenys niekada nesikartoja periodiškai ir jis negali būti išreikštas trupmena), be to, jis yra ir transcendentalus — tai reiškia, kad nėra jokio nulinio polinomo su racionaliais koeficientais, kurio e būtų sprendinys (transcendentalumą pirmasis įrodė Charles Hermite 1873 m.).
Apibrėžimai ir pagrindinės formulės
- Limito apibrėžimas: e = lim_{n→∞} (1 + 1/n)^n. Šis reiškinys kilo tyrinėjant sudėtines palūkanas.
- Eilutės (serijos) apibrėžimas: e = sum_{k=0}^∞ 1/k! = 1 + 1 + 1/2! + 1/3! + 1/4! + ...
- Eksponentinė funkcija: funkcija exp(x) arba e^x gali būti apibrėžta per seriją arba kaip sprendinys diferencialinei lygtčiai y' = y su y(0) = 1.
- Natūralus logaritmas: ln(e) = 1 ir ln yra eksponentinės funkcijos atvirkštinė funkcija.
Savybės
- Diferencijuojamumas: funkcijos e^x pirmtakas ir sandauga yra pats e^x, t. y. (e^x)' = e^x. Dėl to e^x yra unikali funkcija, kuri išsaugo savo formą po diferenciacijos.
- Universali prigimtis: e pasirodo natūraliai sprendžiant problemas, susijusias su nuolatiniu (continuous) augimu arba nykimu: A(t) = A0 e^{kt}.
- Kompleksinė reikšmė: per kompleksinę analizę galioja Eulerio formulė e^{ix} = cos x + i sin x, iš kurios gaunama garsioji tapatybė e^{iπ} + 1 = 0, sujungiančia kelias fundamentalias konstantas.
- Skaičiavimo tikslumas: dešimtainė išraiška nesibaigia ir nėra periodinė; pirmieji skaitmenys yra 2,71828182845904523536...
Istorija
Idėja, susijusi su e, atsirado nagrinėjant sudėtines palūkanas. XVII a. pabaigoje šią konstantą tyrinėjo Jacobas Bernoulli (apie 1683 m.), nagrinėdamas ribą (1 + 1/n)^n, kai n didėja. Vėlesni darbai suteikė papildomų apibrėžimų ir plėtojo eksponentinių funkcijų teoriją. Daug indėlio į e reikšmės ir su ja susijusių funkcijų supratimą įnešė Leonhardas Euleris, kuris pateikė formulių ir skaitmeninių apskaičiavimų, o vėlesni matematiko darbai patikslino skaitmenis ir savybes.
Taikymas
- Matematika ir analizė: e yra pagrindas natūraliam logaritmui ir eksponentinėms funkcijoms, plačiai naudojamoms diferencialinėse lygtyse, integraluose ir serijose.
- Finansai: formulė A = P e^{rt} aprašo nepertraukiamai (nuolat) sudėtinį palūkanų augimą.
- Fizika ir inžinerija: reiškiniai, kuriuos aprašo nuolatinis augimas arba nykimas (radioaktyvus skilimas, kondensatoriaus iškrovimas, termodinaminiai procesai) dažnai turi sprendinius su e.
- Statistika ir tikimybių teorija: Poissono procesai, eksponentiniai pasiskirstymai ir normalusis pasiskirstymas (išraiška su e^{-x^2/2}) naudoja e savo tankio funkcijose.
- Informacijos teorija: natūralus logaritmas ln ir e pasirodo entropijos ir informacijos matuose.
Skaičiavimas ir aproksimacijos
Praktikoje e išskaičiuojama naudojant serijas, limitus ar specialias algoritmines schemas. Dėl greito faktorialų augimo serija sum_{k=0}^∞ 1/k! konverguoja labai greitai, todėl yra patogi skaitmeniniams apskaičiavimams. Taip pat naudojami racionalūs artinimai ir plėtiniai daugelio kintamųjų funkcijų skaičiavimui.
Santrauka: e — tai fundamentali matematinė konstanta, kuri iškyla natūraliuose augimo ir svyravimų modeliuose, turi unikalių algebrinių ir analitinių savybių bei plačiai taikoma moksle, inžinerijoje ir finansuose.
Magiški heiroglifai
Egzistuoja daugybė skirtingų būdų apibrėžti e. Jacobas Bernoulli, kuris atrado e, bandė išspręsti šią problemą:
lim n → ∞ ( +1 n1 ) n . {\displaystyle \lim _{n\to \infty }\left(1+{\frac {1}{n}}\right)^{n}. } 
Kitaip tariant, yra skaičius, 
prie kurio išraiška ( + 1n1 ) n {\displaystyle \left(1+{{\frac {1}{n}}}\right)^{n}} artėja, kai n tampa didesnis. Šis skaičius yra e.
Kitas apibrėžimas - rasti šios formulės sprendinį:
2 + +22 + + 33+44 + + 556⋱ {\displaystyle 2+{\cfrac {2}{2+{\cfrac {3}{3+{\cfrac {4}{4+{\cfrac {5}{5+{{\cfrac {6}{\ddots \,}}}}}}}}}}} 
Mėlyna spalva pažymėta sritis (po lygties y=1/x grafiku), besitęsianti nuo 1 iki e, yra lygiai lygi 1.
Skaičiaus e pirmosios 200 vietų
Pirmieji 200 skaitmenų po kablelio yra:
e = . 271828182845904523536028747135266249775724709369995 {\displaystyle e=2{.}71828\;18284\;59045\;23536\;02874\;71352\;66249\; 77572\;47093\;69995} 
95749669676277240766303535475945713821785251664274 {\displaystyle \;95749\;66967\;62772\;40766\;30353\;54759\;45713\;82178\;52516\;64274} 
27466391932003059921817413596629043572900334295260 {\displaystyle \;27466\;39193\;20030\;59921\;81741\;35966\;29043\;57290\;03342\;95260} 
59563073813232862794349076323382988075319525101901 … {\displaystyle \;59563\;07381\;32328\;62794\;34907\;63233\;82988\;07531\;95251\;01901\,\ldots } 
.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra skaičius e?
A: Skaičius e yra matematinė konstanta, kuri yra natūraliojo logaritmo pagrindas ir kurios vertė yra maždaug 2,71828.
K: Kas yra Euleris ir kodėl e kartais vadinamas Eulerio skaičiumi?
A: Euleris buvo šveicarų matematikas, o e kartais vadinamas Eulerio skaičiumi jo garbei, nes jis svariai prisidėjo prie šio skaičiaus tyrimo.
K: Kas yra Napieras ir kodėl e kartais vadinamas Napiero konstanta?
Atsakymas: Napieras buvo škotų matematikas, įvedęs logaritmus, ir jo garbei e kartais vadinamas Napiero konstanta.
K: Ar e yra svarbi matematinė konstanta?
A: Taip, e yra svarbi matematinė konstanta, tokia pat svarbi kaip π ir i.
K: Kokios rūšies skaičius yra e?
Atsakymas: e yra iracionalusis skaičius, kurio negalima išreikšti sveikųjų skaičių santykiu ir kuris taip pat yra transcendentinis (nėra jokio nenulinio polinomo su racionaliaisiais koeficientais šaknis).
K: Kodėl skaičius e yra svarbus matematikoje?
Atsakymas: Skaičius e yra svarbus matematikoje, nes jis turi didelę reikšmę eksponentinėms funkcijoms ir priklauso penkių svarbių matematinių konstantų grupei, kuri yra vienoje iš Eulerio tapatybės formuluočių.
K: Kas ir kada atrado skaičių e?
A: Skaičių e atrado šveicarų matematikas Jacobas Bernoulli 1683 m., tyrinėdamas sudėtines palūkanas.
Ieškoti