曆史
在1614年開始有對數概念,約翰·納皮爾以及Jost Bürgi(英語:Jost Bürgi)在6年後,分别發表了獨立編制的對數表,當時通過對接近1的底數的大量乘幂運算,來找到指定範圍和精度的對數和所對應的真數,當時還沒出現有理數幂的概念。1742年William Jones(英語:William Jones (mathematician))才發表了幂指數概念。按後來人的觀點,Jost Bürgi的底數1.0001相當接近自然對數的底數e,而約翰·納皮爾的底數0.99999999相當接近1/e。實際上不需要做開高次方這種艱難運算,約翰·納皮爾用了20年時間進行相當于數百萬次乘法的計算,Henry Briggs(英語:Henry Briggs (mathematician))建議納皮爾改用10為底數未果,他用自己的方法于1624年部份完成了常用對數表的編制。
1649年,Alphonse Antonio de Sarasa(英語:Alphonse Antonio de Sarasa)将雙曲線下的面積解釋為對數。大約1665年,艾薩克·牛頓推廣了二項式定理,他将展開并逐項積分,得到了自然對數的無窮級數。“自然對數”最早描述見于尼古拉斯·麥卡托在1668年出版的著作《Logarithmotechnia》中,他也獨立發現了同樣的級數,即自然對數的麥卡托級數。大約1730年,歐拉定義互為逆函數的指數函數和自然對數.
e在科學技術中用得非常多,一般不使用以10為底數的對數。以e為底數,許多式子都能得到簡化,用它是最“自然”的,所以叫“自然對數”。
我們可以從自然對數最早是怎麼來的來說明其有多“自然”。以前人們做乘法就用乘法,很麻煩,發明了對數這個工具後,乘法可以化成加法,即:。
當然後來數學家對這個數做了無數研究,發現其各種神奇之處,在對數表中出現并非偶然,而是相當自然或必然的。因此就叫它自然對數底了。
概念
常數e的含義是單位時間内,持續的翻倍增長所能達到的極限值。
自然對數的底e是由一個重要極限給出的。我們定義:當n趨于無窮大時,,
e是一個無限不循環小數,其值約等于2.718281828459…,它是一個超越數。
函數類型
對數函數
當自然對數 中真數為連續自變量時,稱為對數函數,記作 (x為自變量,y為因變量)。
反函數
曆史上自然對數y=lnx的産生要比e要早些,當時人們對于微分和不定積分的求法已經熟知,并且很早就得到了幂函數的不定積分表達式。但對于n=-1的情況,因n=-1代入幂函數的不定積分表達式中将使分母為0,所以該如何求原函數,或者說到底該如何積分,數學家們采用了多種方法均無法得到滿意的回答。
例如采用分部積分法,
兩邊減掉,将得到0=1的結論。
于是數學家們想到了利用積分變限函數來給出的原函數,即定義一個新的函數
根據這個定義立刻可以知道。并且根據可導必連續的性質,lnx在(0,+∞)上處處連續、可導。其導數為(1/x)>0,所以在(0,+∞)單調增加。又根據反常積分和分别發散至可知,函數的值域為R。雖然這與現代對數函數的運算法則和性質相符,但當時人們并沒有意識到這就是對數函數,并且以e為底。
接下來人們便開始考慮y=lnx的反函數的問題。設y=lnx的反函數為x=f(y),由反函數的求導法則可知,
如果用x來表示自變量,y來表示因變量,那麼自然對數的反函數y=f(x)滿足一個非常重要的性質:
即這個函數求導後仍得到它本身,并且當x=0時,y=1,我們把這個函數寫作 。
由反函數的性質可知y=exp(x)是定義在R上的單調遞增并且處處連續、可微的函數,其值域為(0,+∞)。由于exp(x)求導後得到它自身并且exp(0)=1,我們便可不斷地重複該步驟,通過幂級數的知識可知exp(x)能在R上展開成麥克勞林級數:
那為什麼後來人們會發現 呢?這是因為當人們在求指數函數y=ax的導數時,采用了這樣的方法:
根據複合函數的求導法則, 。當a=e時, 。上文說過,在發明自然對數時,人們不知道y=lnx與e之間的關系,所以不知道lne=1。但是,利用 ,結合歸結原則有 ,于是:
所以:
由于 與 求導以後都得到 ,根據原函數的性質, ,C為積分常數。将x=0代入等式兩端,有1=1+C,C=0,即證明了 。
數學家們才恍然大悟,原來 與 有着千絲萬縷的聯系,并且知道了 是對數函數的一種,其底為e。又利用 ,得到了
令x=1,則又得到了一個關于e的定義式:
當然,根據 ,也可以将e定義為使 的x的取值。
e與π的哲學意義
數學講求規律和美學,可是圓周率π和自然對數e那樣基本的常量卻那麼混亂,就如同兩個“數學幽靈”。人們找不到π和e的數字變化的規律,可能的原因:例如:人們用的是十進制,古人掰指頭數數,因為是十根指頭,所以定下了十進制,而二進制才是宇宙最樸素的進制,也符合陰陽理論,1為陽,0為陰。再例如:人們把π和e與那些規整的數字比較,所以覺得e和π很亂,因此涉及“參照物”的問題。那麼,如果把π和e都換算成最樸素的二進制,并且把π和e這兩個混亂的數字相互比較,就會發現一部分數字規律,e的小數部分的前17位與π的小數部分的第5-21位正好是倒序關系,這麼長的倒序,或許不是巧合。
說明[ ]符号内為17位倒序區。
二進制π取部分值為11.0010[01000011111101101]010100010001000010110100011
二進制e取部分值為10.[10110111111000010]101000101100010100010101110110101
17位倒序區的意義:或許暗示e和π的發展初期可能按照某種彼此相反的規律發展,之後e和π都脫離了這個規律。但是,由于2進制隻用0和1來表示數,因而出現相同,倒序相同,栅欄重排相同的情況不足為奇,雖然這種情況不一定是巧合,但思辨性結論不是科學結論,不應該作為科學證據使用。
複數的對數
問題:求複數 的對數,規定 為 的幅角主值。
解答:
設有一複數 ,其通過指數函數 将 映射為 。
∴
由複數相等的定義,得到:
所以 ,即
記 為對數函數,可以看到在複數中對數函數是多值函數(即一個自變量對應多個因變量),并且有無數個分支。特别地,當k=0時,稱 為對數函數的主值支,此時用記号 來表示。
即w的實部為z的模取自然對數,虛部為z的幅角主值。這就是當真數為複數時的對數運算公式。注意,因為實部需要對z的模取自然對數,因此r≠0。我們知道在複平面上隻有0這個複數的模為0,其他任何複數的模都大于0,所以在複數域中,除了z=0以外所有的複數都可以求對數。
例:求ln(-1)
解:-1=cosπ+isinπ,其模為1,幅角主值為π。代入公式得:
由此可見 ,即 ,這就是歐拉恒等式。
運算法則
不等式一
前面已經說過,自然對數可以利用雙曲線下的面積來理解。由雙曲線圖象,可知:
當時,。
當時,也就是說。
所以說:
當時,。
當時,。
不等式二
由雙曲線圖象,可知:
當時,。
當時,。
所以說:
,其中等号當且僅當時成立。
不等式三
由雙曲線圖象,可知:
當時,。
當時,。
所以說:,其中等号當且僅當時成立。
相關推論
推論一
證明
推論二
當為正數時,。
證明