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數 e 與自然增長

一個特殊的底數 2.71828……,凡是增長持續不斷地自我滋養之處都會出現。透過把複利推向極限看 e 從何而來,並認識自然指數函數 e^x。

把利息推向極限

把 1 美元存入年利率 100% 的帳戶。年末一次付清得 2 美元。但假設分兩期、每半年付 50%:半年時得 1·(1.5) = 1.5,年末得 1.5·(1.5) = 2.25——更多,因為上半年的利息*本身*也生了息。改為按月、按日、每一瞬間付,年末總額繼續攀升——卻並非無界。它逼近一個確定的數。

Value after one year = (1 + 1/n)^n   for n payments

 n = 1        (1 + 1/1)^1   = 2.00000
 n = 2        (1 + 1/2)^2   = 2.25000
 n = 4        (1 + 1/4)^4   = 2.44141
 n = 12       (1 + 1/12)^12 = 2.61304
 n = 365      (1 + 1/365)^365 = 2.71457
 n = 1000000  (...)^1000000 = 2.71828...

As n grows, the total settles on
  e = 2.718281828...
複利越分越細,收斂到數 e。

那個極限數是 e = 2.718281828……它是一個無理數——小數永不循環——事實上還是超越數,意即沒有任何整係數多項式方程式以它為根。我們像攜帶 π 一樣把它記作符號 e,只在最後一步才動用計算機。

為何稱這個底數為自然

自然指數函數是 f(x) = e^x。它被稱作*自然*,是因為它描述任何這樣的量:其增長速率在每一瞬間都與當下已有的量成正比——持續計息的儲蓄、細胞菌落、逐漸冷卻到室溫的熱咖啡。凡是以現有之物為本、不停地增長之物,都受 e 支配。

對隨時間 t 以速率 r 連續增長的量,模型為 A = A₀·e^(rt),其中 A₀ 是初始量。r 為正則增長,為負則衰減。由於 e^x 本身就是底為 e > 1 的指數函數,其圖像與上一篇的曲線同形:恆為正,左側貼近 x 軸,右側上升,過點 (0, 1)。