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四個(gè)反直覺的數(shù)學(xué)真理 歐拉恒等式證明


四個(gè)反直覺的數(shù)學(xué)真理 歐拉恒等式證明



在數(shù)學(xué)中,我們通過證明或已有的結(jié)果推導(dǎo)出我們并不完全理解的東西 。下面我用四個(gè)簡(jiǎn)單而有趣的例子來解釋 。
第一個(gè),歐拉恒等式
四個(gè)反直覺的數(shù)學(xué)真理 歐拉恒等式證明


這就是眾所周知的歐拉恒等式 。對(duì)我來說,數(shù)學(xué)最有趣的地方是發(fā)現(xiàn)我們并不完全理解的事物 。歐拉恒等式是其中之一 。
對(duì)于超越數(shù)(比如,e和π包含在這個(gè)公式中),我們發(fā)現(xiàn)它經(jīng)常出現(xiàn)在我們的現(xiàn)實(shí)生活中 。比如計(jì)算半衰期,或者計(jì)算房子的利率,或者計(jì)算圓周與直徑的比率 。我們知道數(shù)字1的必要性,當(dāng)它與自身相減時(shí),結(jié)果是0 。有了0,1,和- 1的平方根的定義,再加上我們關(guān)于唯一性的規(guī)則公理,我們就可以構(gòu)造出整個(gè)數(shù)字系統(tǒng) 。所有的知識(shí)都在這個(gè)方程里 。但很多人并不真正理解它,想要深入了解歐拉恒等式,可以閱讀我的這篇文章:數(shù)學(xué)界最著名、最偉大、最美麗的公式之一——?dú)W拉公式
這有點(diǎn)像重力,因?yàn)榕nD知道有一個(gè)力作用在從樹上落下的蘋果上 。但是,直到今天,我們?nèi)匀粚?duì)它到底是什么有爭(zhēng)議 。
斯坦福大學(xué)的基思·德夫林教授(1947-)這樣評(píng)價(jià)歐拉恒等式:
歐拉恒等式就像莎士比亞的十四行詩捕捉到了愛的精髓,也像一幅畫展現(xiàn)了不僅僅是膚淺的人體之美,它觸及到了存在的最深處 。
哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家、哈佛教授本杰明·皮爾斯(Benjamin Peirce)也說過:
這絕對(duì)是荒謬的,我們無法理解它,也不知道它意味著什么,但我們已經(jīng)證明了它,因此我們知道它一定是事實(shí) 。
這就是歐拉恒等式的核心 。事實(shí)上,它是很多數(shù)學(xué)的核心(對(duì)證明工作的嚴(yán)格要求,完成和組織正確的邏輯) 。但是,即使有了所有的邏輯思維和精準(zhǔn)性,它仍然缺乏真正的意義 。就像萬有引力一樣,歐拉恒等式確實(shí)存在 。它無疑是真理 。
我們使用這個(gè)恒等式中涉及的元素,讓它們出現(xiàn)在許多應(yīng)用程序中 。我們發(fā)現(xiàn)它們存在于與純數(shù)學(xué)相去甚遠(yuǎn)的學(xué)科中 。我們知道它們對(duì)我們所知的現(xiàn)實(shí)進(jìn)行了高度精確的解釋 。它們幾乎對(duì)我們遇到的所有東西進(jìn)行建模 。它們改善了絕大多數(shù)人的生活卻沒有得到社會(huì)的認(rèn)可 。它們是世界上看不見的真理 。你不需要了解他們,就能從中獲益 。
但是,如果有人問我,為什么是歐拉恒等式,我不能告訴你 。這就是它的有趣之處 。這是一個(gè)如此強(qiáng)大的等式,將數(shù)學(xué)中如此多的元素聯(lián)系在一起,但我們并沒有真正理解它 。
第二個(gè),復(fù)利
四個(gè)反直覺的數(shù)學(xué)真理 歐拉恒等式證明


關(guān)于復(fù)利最著名的話莫過于愛因斯坦的:
宇宙間最大的能量是復(fù)利,世界的第八大奇跡是復(fù)利 。
還記得我們?cè)跉W拉恒等式中看到的e嗎?它與很多東西都有聯(lián)系,但讓我們從它的發(fā)現(xiàn)開始,然后看看它的怪異之處 。
1683年,雅各布·伯努利提出了一個(gè)關(guān)于復(fù)利的問題:
一個(gè)賬戶從$1.00開始,每年支付100%的利息 。如果一年計(jì)息一次,在年底,這個(gè)賬戶在年底的余額將是2美元 。如果一年計(jì)息n次(每次利率為1/n),年底賬號(hào)余額是多少?
意思是,如果一年計(jì)息2次,每6個(gè)月你可以得到50%的收益 。也就是說,年底有:
四個(gè)反直覺的數(shù)學(xué)真理 歐拉恒等式證明


復(fù)利n次的復(fù)利公式為:
四個(gè)反直覺的數(shù)學(xué)真理 歐拉恒等式證明


一美元本金,100%利率的復(fù)利公式 。n是復(fù)利的次數(shù) 。換句話說,你會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)把100%的利息分成你想要的次數(shù) 。例如,在這個(gè)案例中,復(fù)利兩次后,獲得的本金加利息為:

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