网站地图
hnsjyk999.com
三九百科 包罗万象
自然对数 发布于:

自然对数是以常数e为底数的对数,记作lnN(N>0)。在物理学,生物学等自然科学中有重要的意义,一般表示方法为lnx。数学中也常见以logx表示自然对数。

在1614年开始有对数概念,约翰·纳皮尔以及Jost Bürgi(英语:Jost Bürgi)在6年后,分别发表了独立编制的对数表,当时通过对接近1的底数的大量乘幂运算,来找到指定范围和精度的对数和所对应的真数,当时还没出现有理数幂的概念。1742年William Jones(英语:William Jones (mathematician))才发表了幂指数概念。按后来人的观点,Jost Bürgi的底数1.0001相当接近自然对数的底数e,而约翰·纳皮尔的底数0.99999999相当接近1/e。实际上不需要做开高次方这种艰难运算,约翰·纳皮尔用了20年时间进行相当于数百万次乘法的计算,Henry Briggs(英语:Henry Briggs (mathematician))建议纳皮尔改用10为底数未果,他用自己的方法于1624年部份完成了常用对数表的编制。

1649年,Alphonse Antonio de Sarasa(英语:Alphonse Antonio de Sarasa)将双曲线下的面积解释为对数。大约1665年,伊萨克·牛顿推广了二项式定理,他将

e在科学技术中用得非常多,一般不使用以10为底数的对数。以e为底数,许多式子都能得到简化,用它是最“自然”的,所以叫“自然对数”。

我们可以从自然对数最早是怎么来的来说明其有多“自然”。以前人们做乘法就用乘法,很麻烦,发明了对数这个工具后,乘法可以化成加法,即:

当然后来数学家对这个数做了无数研究,发现其各种神奇之处,在对数表中出现并非偶然,而是相当自然或必然的。因此就叫它自然对数底了。

常数e的含义是单位时间内,持续的翻倍增长所能达到的极限值。

自然对数的底e是由一个重要极限给出的。我们定义:当n趋于无穷大时,

e是一个无限不循环小数,其值约等于2.718281828459…,它是一个超越数。

当自然对数

历史上自然对数y=lnx的产生要比e要早些,当时人们对于微分和不定积分的求法已经熟知,并且很早就得到了幂函数

例如采用分部积分法,

两边减掉

于是数学家们想到了利用积分变限函数来给出

根据这个定义立刻可以知道

接下来人们便开始考虑y=lnx的反函数的问题。设y=lnx的反函数为x=f(y),由反函数的求导法则可知,

如果用x来表示自变量,y来表示因变量,那么自然对数的反函数y=f(x)满足一个非常重要的性质:

即这个函数求导后仍得到它本身,并且当x=0时,y=1,我们把这个函数写作

由反函数的性质可知y=exp(x)是定义在R上的单调递增并且处处连续、可微的函数,其值域为(0,+∞)。由于exp(x)求导后得到它自身并且exp(0)=1,我们便可不断地重复该步骤,通过幂级数的知识可知exp(x)能在R上展开成麦克劳林级数:

那为什么后来人们会发现

根据复合函数的求导法则,

所以:

由于

数学家们才恍然大悟,原来

令x=1,则又得到了一个关于e的定义式:

当然,根据

数学讲求规律和美学,可是圆周率π和自然对数e那样基本的常量却那么混乱,就如同两个“数学幽灵”。人们找不到π和e的数字变化的规律,可能的原因:例如:人们用的是十进制,古人掰指头数数,因为是十根指头,所以定下了十进制,而二进制才是宇宙最朴素的进制,也符合阴阳理论,1为阳,0为阴。再例如:人们把π和e与那些规整的数字比较,所以觉得e和π很乱,因此涉及“参照物”的问题。那么,如果把π和e都换算成最朴素的二进制,并且把π和e这两个混乱的数字相互比较,就会发现一部分数字规律,e的小数部分的前17位与π的小数部分的第5-21位正好是倒序关系,这么长的倒序,或许不是巧合。

说明[ ]符号内为17位倒序区。

二进制π取部分值为11.0010[01000011111101101]010100010001000010110100011

二进制e取部分值为10.[10110111111000010]101000101100010100010101110110101

17位倒序区的意义:或许暗示e和π的发展初期可能按照某种彼此相反的规律发展,之后e和π都脱离了这个规律。但是,由于2进制只用0和1来表示数,因而出现相同,倒序相同,栅栏重排相同的情况不足为奇,虽然这种情况不一定是巧合,但思辨性结论不是科学结论,不应该作为科学证据使用。

问题:求复数

解答:

设有一复数

由复数相等的定义,得到:

所以

即w的实部为z的模取自然对数,虚部为z的幅角主值。这就是当真数为复数时的对数运算公式。注意,因为实部需要对z的模取自然对数,因此r≠0。我们知道在复平面上只有0这个复数的模为0,其他任何复数的模都大于0,所以在复数域中,除了z=0以外所有的复数都可以求对数。

例:求ln(-1)

解:-1=cosπ+isinπ,其模为1,幅角主值为π。代入公式得:

由此可见


相关文章推荐:
数学 | 对数 | 底数 | 约翰·纳皮尔 | 对数表 | | 对数 | William Jones | 常用对数 | 伊萨克·牛顿 | 二项式定理 | 欧拉 | 指数函数 | 乘法 | 极限 | 自然对数的底 | 极限 | 无限不循环小数 | 超越数 | 真数 | 自变量 | 对数 | 因变量 | 微分 | 不定积分 | 原函数 | 分部积分法 | 积分变限函数 | 麦克劳林级数 | 归结原则 | 数学 | 圆周率 | 欧拉恒等式 |