著名的欧拉公式被认为是数学世界中最美妙的公式之一,揭示了自然界中一些重要常数的依赖关系,其具体形式为
这是一个神奇且美丽的公式,其中涉及很多重要常数,具体包括:
1)自然数“0”和“1”,这两个数字可以生成任意的整数(包括负整数),为人类的借贷、交易等活动的记录带来了极大便利;
2)圆周率“π”,它是一个无理数,是圆周长和直径的比例;
3)虚数“i”,它的平方是“-1”,对于电学和量子力学等学科中的推导计算极为重要;
4)还有一个重要常数“e”,我们称其为自然常数,是一个无限不循环小数,且为超越数。
已知的第一次用到自然常数“e”,是莱布尼茨于1690年和1691年给惠更斯的通信,本文着重关注自然常数“e”的来历与用处。
今天我们将从银行存款的角度来阐述“e”的来源。众所周知,存款周期满以后,存款人所能得到的本息全款存款所得G,其计算公式为
例如,首先来看一年期(T=1)的定期存款,假设我们手中的本金为A = 100元,银行的利率为r = 0.05,那么一年后,我们可以从银行中取出的现金为
接下来,我们考虑半年期(T=0.5)的存款。同样假设我们手中的本金为A = 100元,银行的利率为r = 0.05。那么半年后,我们可以从银行中取出的现金为
之后,我们可以将这102.5元继续投入银行中,又过半年后(即初始时刻的一年后),我们可以从银行中取出的现金为
再接下来,我们考虑存款周期更短的情形,即一月期的存款。按照每月取出再继续存入的投资方法,我们可以得到一年后的本息全款为
更一般地,如果存款周期为1/n(其中n是某个选定的自然数),那么一年后可得到的本息全款为
比如,若n = 365,即一天期(T=1/365)的存款,可以计算得到本息全款为元。
观察上述数值,不难发现一年后的本息全款,会随着存款周期的缩小而严格递增,即
那么,一个很自然的问题是,若存款周期1/n无穷小,那么一年后,我们可以得到的本息全款是多少?是无穷大还是某个有限的数?这是一个很有趣的数学分析问题。对此,有兴趣的读者可以尝试证明以下两个命题:
(1)数列是一个严格单调递增的数列;
(2)数列是一致有界的。
那么,根据单调有界数列必有极限的定理,我们知道数列是有极限的。这个极限就是
从而自然常数e被引入了进来,它的值大约是2.71828,代表连续时间复利的增长底数。将这个数字代入本文中的情形,可得
即如果存款周期无穷小,我们在一年后可得到的本息全款就是105.1271元。回顾上文,不难发现一天期的本息值105.1267
元,已经和非常接近了。事实上,这也是我们逼近自然常数准确值的一个有效方法。
当然,存款复利只是解释自然常数“e”的多个方法中的其中一个方法,除此以外还有很多方法可以生动有趣地引入这个常数。这个常数在数学和物理中有诸多应用,比如刻画人口增长的指数型模型;指数型函数是唯一一个导函数与其本身相等的函数;还有素数定理、完全率、阻力落体、粒子运动等。自然常数“e”作为自然界中一个重要常数,也不出意外地参与到了本文开头提到的著名的欧拉公式,足以体现其重要的本质!