在六西格玛工具的学习过程中,经常会遇到自然对数转换的问题,比如在回归分析中,有时需要对y进行对数转换,转换过程中必然就要用到一个无理数e,这个e到底是有什么神奇之处,为什么会有e的由来,接下我们简单梳理一下它的来源和背后的奇妙故事。
e在数学中是代表一个数的符号,其实还不限于数学领域。在大自然中,建构,呈现的形状,利率或者双曲线面积及微积分教科书、伯努利家族等。现e已经被算到小数点后面两千位了。e=2.7182818284590452353602874713526624977572470936999595749669676277240766303535475945......
e的定义:e是自然对数的底数,是一个无限不循环小数,其值是2.71828...,它是这样定义的: 当n→∞时,(1+1/n)^n的极限。随着n的增大,底数越来越接近1,而指数趋向无穷大,那结果到底是趋向于1还是无穷大呢? 其实,是趋向于2.71828……,不信你用计算器计算一下,分别取n=1,10,100,1000。但是由于一般计算器只能显示10位左右的数字,所以再多就看不出来了。
在高中数学里,大家都学到过对数(logarithm)的观念,也用过对数表。教科书里的对数表,是以10为底的,叫做常用对数(common logarithm)。课本里还简略提到,有一种以无理数e=2.71828……为底数的对数,称为自然对数(natural logarithm),这个e,正是我们故事的主角。不知这样子说,是否引起你更大的疑惑呢?在十进位制系统里,用这样奇怪的数为底,难道会比以10为底更「自然」吗?更令人好奇的是,长得这么奇怪的数,会有什么故事可说呢?
这就要从以前说起了。至少在微积分发明之前半个世纪,就有人提到这个数,所以虽然它在微积分里常常出现,却不是随着微积分诞生的。那么是在怎样的状况下导致它出现的呢?一个很可能的解释是,这个数和计算利息有关。我们都知道复利计息是怎么回事,就是利息也可以并进本金再生利息。但是本利和的多寡,要看计息周期而定,以年周期来算的话,可以一年只计息一次,也可以每半年计息一次,或者一季一次,一月一次,甚至一天一次;当然计息周期愈短,本利和就会愈高。有人因此而好奇,如果计息周期无限制地缩短,比如说每分钟计息一次,甚至每秒,或者每一瞬间(理论上来说),会发生什么状况?本利和会无限制地加大吗?答案是不会,它的值会稳定下来,趋近於一极限值,而e这个数就现身在该极限值当中,所以e可以定义成一个极限值,但是在那时候,根本还没有极限的观念,因此e的值应该是观察出来的,而不是用严谨的证明得到的。
这个与计算复利关系密切的数,和数学领域不同分支中的许多问题都有关联。在讨论e的源起时,除了复利计算以外,事实上还有许多其他的可能。问题虽然都不一样,答案却都殊途同归地指向e这个数。比如其中一个有名的问题,就是求双曲线y=1/x底下的面积。双曲线和计算复利会有什么关系,不管横看、竖看、坐着想、躺着想,都想不出一个所以然对不对?可是这个面积算出来,却和e有很密切的关联。e的影响力其实还不限于数学领域。大自然中太阳花的种子排列、鹦鹉螺壳上的花纹都呈现螺线的形状,而螺线的方程式,是要用e来定义的。建构音阶也要用到e,而如果把一条链子两端固定,松松垂下,它呈现的形状若用数学式子表示的话,也需要用到e。
