自然底数e 怎么就“自然”了

自然底数e确实是一个神秘数字,这里的e不是一个字母,而是一个数学中的无理常数,约等于2.718281828459。但我总是在想,它到底怎么来的?

说到e,我们会很自然地想起另一个和它很像的常数π。π的含义可以通过下图内接与外切多边形来很形象的理解。

假设圆的直径为1,其外切与内接多边形的周长可以构成π的估计值的取值范围上下限,内接与外切多边形的边越多,取值范围就越窄,只要边数足够多,取值范围上下限就可以越来越逼近圆周率π。

circle

e呢?首先,我们需要知道e这个自然底数的符号是谁给出了的,给出这个神奇常数符号的是瑞士数学和物理学家Leonhard Euler(莱昂纳德·欧拉)。

euler

Leonhard Euler (1707-1783)

但实际上,第一个发现这个常数的并而欧拉本人,而是雅可比·伯努利(Jakob Bernoulli)。要了解e的由来,就要谈到一个经济学名称“复利(Compound Interest)”,用俗话说就是所谓的“利滚利”。在引入“复利模型”之前,我们先看看最最基本的 “指数增长模型”。

我们知道大部分细菌是通过二分裂进行繁殖的,假设一种细菌1天分裂一次,也就意味着其每一天的数量都是前一天的两倍。

growth_2_x

显然,如果经过x次分裂,通俗地说,也就是翻了x倍,那我们得到的总数将是初始数量的2x倍。即:

0d4f00848810c0f2b49092045c65cfe3

如果将 “翻倍”换一种更“文艺的”说法,也就是 “增长率为100%”,那我们可以将上式写为:

96267b3bcd9f86e0f89124dbe770e1a2

那么,当我们的增长率不是100%,而是50%、25%之类的,我们只需要将100%换成我们想要的增长率即可,这样就得到了更加普遍的公式:

4e9bfa117d39e2bc2fe2139eec276a69

这个公式的数学内涵是:数量以大小为return的增长率增长,在增长x次之后所得到的总数量。

好了,介绍完指数增长,我们来看看雅可比·伯努利的发现:

假设你有1元钱存在银行里,而且发生了严重的通货膨胀,银行的利率飙到了100%(就当银行疯了),银行一般一年付一次利息,自然,一年后你可以拿到1元钱的本金(蓝)和1元的利息(绿),一共两元。

growth_interest_1

现在银行的年利率不变,但银行为了招揽客户,推出一项惠民政策,每半年就付一次利息。那么到第六个月时,你就能够提前先拿到0.5元。

growth_interest_6_months

机智的你会马上把利息提前存入,利息生利息(红),1年存款余额将等于2.25元。

growth_interest_6_months_compound

那么此时,我们可以这样看:即银行每半年的利率是50%(或者说100%/2),但一年结算两次。此时我们的计算公式和结果如下:
83df609c658681b2978a745aa1d29e11

好,继续,假设现在银行为了和其他银行抢生意,短期不想赚钱了,彻底疯了!每四个月就付一次利息!而机智的你依然一拿到利息就立马存入,与半年付一次利息类似,只不过现在我们可以这样看:即银行每半年的利率是33.33%(或者说100%/3),但一年结算三次。

growth_interest_4_months_compound

此时我们的计算公式和结果如下:

b5b4f6dccccca4550f1c9e2742166b9e

我的天,年利率虽然没有变,但随着每年利息交付次数的增加,你年底能从银行拿到的钱也在增加!那么是不是会一直增大到无穷大呢?想得倒美…

现在假设存款人和银行都疯了,银行在保证年利率为100%的前提下连续不断地付给存款人利息,存款人天天呆在银行不走,拿到利息就往银行里存,感觉耳边响起了:左手右手一个慢动作。

但是,你会发现,似乎有一个“天花板”挡着你疯狂赚钱的目标,这个“天花板”就是e

70

如果,我们进行一系列的迭代运算,

只要迭代次数足够多,结果就会逼近e =2.718281845…

然后,放个大招,高等数学微积分里的一个著名的极限:

afab3e652841e07cc6d6f0cf52cb06a3

好了,也就是是说,就算银行的年利率是100%,你再怎么求银行给你“复利”,年底也不可能得到超过本金e倍的余额。

况且,我是没见过哪个银行的年利率是100%,还是洗洗睡吧~

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Reference:

[1] An Intuitive Guide To Exponential Functions & e

[2] Prehistoric Calculus: Discovering Pi

 

自然底数e 怎么就“自然”了》有2个想法

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