數(shù)學常數(shù) e 究竟是什么
基本上無害
發(fā)布于 云南 2024-04-30 · 2.1w瀏覽 1回復(fù) 3贊

基礎(chǔ)概念?

e,一個你常常在數(shù)學公式中能看到的符號。

它有很多名稱 自然常數(shù),歐拉數(shù),納皮爾常數(shù)。

和 π 類似,它也是一個 無限不循環(huán)小數(shù),它的值大約為:2.718281828459


e 的意義?

說 e 是“一個近似 2.71828...” 的數(shù),無異于說 π 是“一個近似 3.14159...” 的數(shù)。非常正確,但讓人難以理解。

π 是所有圓的周長和其半徑的比值。它是所有圓周的固有基本比例。它影響了圓、球、圓柱等的周長、面積、體積和表面積的計算。π很重要,它告訴我們所有的圓都是相關(guān)的,更不必說三角函數(shù)(sin,cos,tan)都是從圓導(dǎo)出的。

類似地,我們可以這樣理解 e:

e 是所有持續(xù)增長過程,共享的基本增長率


舉個栗子:如何制造一個 e?

1. 利滾利???

現(xiàn)在假如張三找你借了 1 塊錢,年利率為 100%。

那么第一年結(jié)束時,他需要還 2 塊錢;

而到了第二年結(jié)束時,第一年的利息也產(chǎn)生了新的利息,他需要還 4 塊錢。

 

以此類推,第 n 年后,他總共要還 2^n 塊錢。公式長這樣:

這個公式還能換一種寫法,更直觀地體現(xiàn)出 100% 的利息:

更進一步,增長率我們也替換為變量,來考慮各種利率的情況(比如 25%, 50%, 200% 等等)。那么新公式就能改成:

return 就代表了回報率(增長率)。

2. 加快利滾利???

現(xiàn)在讓咱們貪婪一點,年利率保持 100% 不變,但計算利息的頻次從一年縮短為半年。

那么一年以后你會賺多少錢呢?

在半年的時候,你會提前獲得一半的利息,這時共獲利 1.5 元。

但是當?shù)搅艘荒甑臅r候,你仍然只能得到 2 元嗎?

錯了!你忘了計算半年時多出來的 0.5 元利息了,它也要利滾利,生成自己的利息。

所以正確答案是一年后,連本帶利共 2.25 元。比按年結(jié)算多出了 0.25 元。

讓我們回到公式,如何表達兩個半年 50% 的增長:

3. faster!???

更進一步!現(xiàn)在你嘗到了頻繁計算復(fù)利的甜頭。讓我們改為每個季度計算利息一次。

總收益變得更大了。

4. fastest!???

那么,如果每天、每小時、每秒、乃至每一瞬間都計算一次利息,不是時就可以把利息滾到無限大,從此實現(xiàn)財富自由了呢?

n  -   (1 + 100% /n) ^ n

1   -   2

2   -   2.25

3   -   2.37

5   -   2.488

10   -   2.5937

100   -   2.7048

1,000   -   2.7169

10,000   -   2.71814

100,000   -   2.718268

1,000,000   -   2.7182804

...   -   ...

很遺憾,不行。

但你會發(fā)現(xiàn)當間隔足夠小以后,最后的總額無限趨近于 e 的值...我們成功地制造了e。

由此,也就得出了數(shù)學中表達 e 的公式:

 

這個極限最終會收斂于一個值,這個已經(jīng)被證明過。正如你所見,不管我們把時間分的多么多么的短,我們得到的總回報最終停留在了2.718附近。


可是 e 有什么用呢??

現(xiàn)在我們知道,數(shù)字 e(2.718...) 是一個周期以 100% 的復(fù)合增長率增長的最大結(jié)果。

但是這個數(shù)有什么用呢?

當增長基數(shù)改變??

依然用借款來舉例,假設(shè)年利率 100%,且持續(xù)復(fù)利(雖然現(xiàn)實中不可能這樣)。

我們一開始有 1 元,那么一年后我們連本帶息能得到 e 元。

如果我們一開始有 2 元,但復(fù)利的條件沒有變化,那么一年后我們能得到 2e 元。

以此類推,如果有 114.514 元,一年最終也會變成 114.514e 元。

當增長率改變??

如果增長率不是 100%,而是 50%,e 還能起作用嗎?

看回公式,50% 的單位時間內(nèi)的復(fù)合增長率是這樣的:

記住 50% 是這段時間內(nèi)的總回報率,n 是為了獲得復(fù)合增長而將這個過程分割的次數(shù)。

如果我們?nèi)?n = 50,我們可以把整段增長分為 50 次,每一段都增長了 1%。

為了探究 50% 增長率與 e(100% 增長率) 的關(guān)系,我們用同樣的方法處理 e。

我們假定 100% 增長的情況下,n = 100 (將增長分割為 100 段)。公式如下:

似乎有些關(guān)系了。

+ 在 100% 增長率的情況下,近似等于以 1% 的增長重復(fù)了 100 次;(左)

+ 在 50% 增長率的情況下,近似等于以 1% 的增長重復(fù)了 50 次;(右)

它們的區(qū)別只在于,50% 增長的段數(shù)比 100% 少了一半:

因此我們可以認為,在單位時間內(nèi),增長率 r 的最大復(fù)合增長為:e^r。

+ 50% 增長率的最大復(fù)合增長為 e^0.5

+ 300% 增長率的最大復(fù)合增長為 e^3

+ 0.1% 增長率的最大復(fù)合增長為 e^0.01

由此可得出不同增長率下,表示最大復(fù)合增長的公式:

因此也可以得到,2 年 300% 的增長,等同于 3 年 200% 的增長。

time 可以代表增長的時間,而 rate 代表增長的效率。

意義?

只要系統(tǒng)以指數(shù)形式持續(xù)增長,e 就會出現(xiàn):人口、放射性衰變、利息計算等等。即使是不平滑增長的鋸齒狀系統(tǒng),也可以用 e 來近似。

就像每個數(shù)字都可以看作是 1(基本單位)的縮放版,每個圓都可以看作是單位圓(半徑 1)的縮放版,每個增長率都可以看作是 e(單位增長,完全復(fù)合)的縮放版。

因此,e 并不是一個晦澀難懂、看似隨機的數(shù)字。

e 所代表的理念是,所有持續(xù)增長的系統(tǒng),都是一個共同增長率(e)的縮放版本。


一些例子?

這里就列舉參考原文的一些好例子,外加一個阮一峰大神提到的72法則。

例1:魔法水晶?

假設(shè)你有 300kg 魔法水晶,它們每時每刻都在以 100% 速度增長,那么 10 天后你會有多少水晶?

300 * e^10 ≈ 6607939.73 kg

例2:最大利率?

設(shè)我的銀行賬戶中有120元,利息是5%。銀行很慷慨,并且想要給我最可能大的復(fù)合增長率,十年后我有多少錢?

120 * e^(0.05 * 10) ≈ 197.84 元

例3:半衰期?

一種放射性物質(zhì),其每年的連續(xù)復(fù)合衰變率是100%,問10kg的該物質(zhì)經(jīng)過3年后還剩多少?

10 * e^(-1 * 3) ≈ 0.498 kg

例4: 72 法則?

72法則是金融學上的一種概念,用于估算投資本金翻倍所需的時間。

具體來說,它基于一個假設(shè):以 1% 的復(fù)利來計息,本金在大約72年后會翻倍。

e^(0.01 * t) = 2

t ≈ 69.315

我們可以將 69.315 近似為 72。(之所以選用72,是因為它有較多因數(shù),容易被整除,更方便計算。)

用這個 72 我們能快速估算增長翻倍的時間。

例:假設(shè)年增長率為20%,那么需要多少年才能翻一番?

答:72÷20=3.6年

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火星宛如雪花,從42號有軌電車車頂?shù)墓渭娖魃巷w落而下。
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