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e在微积分里常常出现,但却不是随著微积分诞生的。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。假定有一家银行,年利率为100%,允许以任意周期进行复利计息。很显然,我们存入1块钱,一年后的本利和为2块钱。有个聪明人想:我每半年存取一次,一年存取两次,我的本利和为多少呢?也很容易计算:,这样比一次存一年要多哦;他继续想:我每季度存取一次,一年存取四次,我的本利和是多少呢?,比一年存取两次又多了一些;人总是贪婪的,他想:我每月存取一次,一年存取十二次,本利和为,果然又增加了一些。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?答案是不会的,它的值会趋近于一极限值,e这个数就现身在该极限值当中(当然那时候还没给这个数取名字叫e)。极值等于2.718281828.。当然,实际生活中,银行的利息没有这么高,如果利率只有5%,那么1块存一年最多可以拿到多少钱呢?在100%利率的情况下,当n=1000所得到的数值非常接近e:。为了便于思考,取n=50,:。因此,5%利率相当于e的20分之一次方:注意:20分之一正好等于利率5%,所以公式可以写成:,式中rate就是利率。这说明只要是持续不断的复合式增长,e可以用于任何增长率的计算。再考虑时间因素,如果把钱在银行里存t年,最多可以得到多少钱呢?,此式为计算本利和的万能公式,可以适用于任何时间,任何利率。进一步思考,如果银行利率是5%的复利,请问1元存款翻倍需要多少时间?求解需要多少时间等价于解方程:,结果是13.86年。上式最后一个等号,表明用72除以利率,可以得到翻倍的大致时间,这就是经济学上著名的72法则。e在自然科学中有着重要的地位和作用,比如在原子物理中放射性物质的衰变,生物增殖问题,地质科学中考察地球年龄,用齐奥尔科夫斯基公式计算火箭速度,物体的冷却等等讲了这么多,e是一个特殊的重要极限,在高等数学及其应用领域中起着奠基般的举足轻重的作用。但如此重要的极限,在一般的教科书中对它的存在性的证明却叙述得较少,甚至不证明,只让去死记硬背一个十分难记难懂的结论。下面我尝试证明极限e的存在,并且确定它的值。一、极限e存在性的证明为了证明极限 首先给出关于极限存在的两个基本准则。I 夹逼准则:如果函数且,那么。II 单调有界数列必有极限。这个函数既不是幂函数也不是指数函数,我们称之为幂指数函数。只有当时这个函数才有定义,故只对与来证明。1、当时,首先让x取正整数,即x=n,n=1,2,3若而有伯努利不等式,这个不等式可由二项式定理推出,并且对时不等式仍然成立,可由由数学归纳法证明。因此,对伯努利不等式将x换成,便有或者故对有说明是随n的增加而增加的,即是单调增加数列,另一方面由二项定理知说明是单调增加有界数列,根据准则II,的极限存在,以e表示之,即 (1a)其次,对任意,必存在两个相邻的整数m与m+1,使得,因而从而或者当时,并且,由准则I知 (1b)2、当时,当时,所以 (1c)综合1a,1b,1c对于与,极限得到了证明。二、极限e的确定与求法由二项定理及极限1可得到e的表达式或者由此可知e是个无理数,整数部分是2,小数部分是个无限不循环小数。数e的近似值可以通过的泰勒展开式: 其中,当x=1时有 ()如取n=9,可得=2.718279由此计算方法可见,若要求精度越高,则n取的越大,且计算每一项的精确度比要求的精度要高,当n10时高一位,n100时高二位,
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