Podstawa logarytmu naturalnego

Podstawa logarytmu naturalnego (inaczej liczba Eulera lub liczba Nepera) w przybliżeniu wynosi:

e ≈ 2,

7182818284 5904523536 0287471352 6624977572 4709369995 9574966967 6277240766 3035354759 4571382178 5251664274 2746639193 2003059921 8174...

Definicja

Liczbę e można zdefiniować na kilka równoważnych sposobów.

Granica ciągu

Jako granica ciągu, e jest określana przez

$e=\lim _{n\to \infty }\left(1+{\tfrac {1}{n}}\right)^{n}$

Dowód, że ten ciąg jest zbieżny

Wykażemy, że ciąg ${\Big (}(1+{\tfrac {1}{n}})^{n}{\Big )}_{n\in \mathbb {N} }$ jest niemalejący i ograniczony z góry, a zatem jest zbieżny.

Połóżmy $a_{n}=\left(1+{\tfrac {1}{n}}\right)^{n}$. Przypomnijmy, że dla dodatnich liczb $x_{1},\ldots ,x_{n+1}$ zachodzi następująca nierówność Cauchy'ego między ich średnią arytmetyczną a geometryczną:

(*) ${\frac {x_{1}+\ldots +x_{n+1}}{n+1}}\geq (x_{1}\cdot \ldots \cdot x_{n+1})^{1/(n+1)}$

Rozważając $x_{1}=\dots =x_{n}=1+{\tfrac {1}{n}}$ oraz $x_{n+1}=1$ otrzymujemy

${{1+{\tfrac {1}{n}}+\dots +1+{\tfrac {1}{n}}+1} \over {n+1}}\geq \left((1+{\tfrac {1}{n}})\dots (1+{\tfrac {1}{n}})\cdot 1\right)^{1/(n+1)}$

a stąd

$\left({\tfrac {n+2}{n+1}}\right)^{n+1}\geq \left(1+{\tfrac {1}{n}}\right)^{n}$ więc również $\left(1+{\tfrac {1}{n+1}}\right)^{n+1}\geq \left(1+{\tfrac {1}{n}}\right)^{n}$ i $a_{n+1}\geq a_{n}$. Czyli ciąg $(a_{n})_{n}$ jest niemalejący.

Połóżmy $b_{n}=\left(1+{\tfrac {1}{n}}\right)^{n+1}$ i zauważmy, że $a_{n}\leq b_{n}={1 \over \left({\tfrac {n}{n+1}}\right)^{n+1}}={1 \over \left(1-{\tfrac {1}{n+1}}\right)^{n+1}}$.

Z nierówności (*) zastosowanej do $x_{1}=\dots =x_{n+1}=1-{\tfrac {1}{n+1}}$ oraz $x_{n+2}=1$ otrzymujemy, że:

${{1-{\frac {1}{n+1}}+\dots +1-{\frac {1}{n+1}}+1} \over {n+2}}\geq \left(\left(1-{\tfrac {1}{n+1}}\right)\dots \left(1-{\tfrac {1}{n+1}}\right)\cdot 1\right)^{1/(n+2)}$.

Stąd $\left({\tfrac {n+1}{n+2}}\right)^{n+2}\geq \left(1-{\tfrac {1}{n+1}}\right)^{n+1}$ a więc też $\left(1-{\tfrac {1}{n+2}}\right)^{n+2}\geq \left(1-{\tfrac {1}{n+1}}\right)^{n+1}$. Czyli ciąg ${\Big (}(1-{\tfrac {1}{n+1}})^{n+1}{\Big )}_{n\in \mathbb {N} }$ jest niemalejący. Ponieważ $b_{n}={1 \over (1-{\frac {1}{n+1}})^{n+1}}$, to możemy wywnioskować że ciąg $(b_{n})$ jest nierosnący, a stąd

$a_{1}\leq a_{2}\leq \ldots \leq a_{n}\leq b_{n}\leq \ldots \leq b_{2}\leq b_{1}$.

Ciąg $(a_{n})$ jest więc niemalejący i ograniczony z góry (np. przez $b_{1}$), a więc jest zbieżny.

Suma szeregu

Jako suma szeregu, e jest określana przez

$e=\sum _{n=0}^{\infty }{1 \over n!}={1 \over 0!}+{1 \over 1!}+{1 \over 2!}+{1 \over 3!}+{1 \over 4!}+\cdots$

gdzie n! jest silnią liczby n.

Przy pomocy całki

Liczbę e można także zdefiniować jako jedyną liczbę rzeczywistą taką że:

$\int \limits _{1}^{e}{\frac {1}{t}}\,dt={1}$

(to znaczy, że liczba e to taka, że pole powierzchni pod hiperbolą $f(t)=1/t$ od 1 do e jest równe 1).

Przy pomocy funkcji

Liczbę e można również zdefiniować jako taki argument funkcji

$f(x)=x^{1/x}$,    $x>0$

dla którego jej wartość jest największa.

Właściwości

• Wiadomo, że e jest liczbą niewymierną (co udowodnił Leonhard Euler), a nawet przestępną (co udowodnił Charles Hermite).
• e jest podstawą takiej funkcji wykładniczej, że styczna do jej wykresu w punkcie (0, 1) ma współczynnik kierunkowy równy 1
• e jest podstawą takiego logarytmu, że styczna do wykresu funkcji logarytmicznej o tej podstawie w punkcie (1,0) ma współczynnik kierunkowy równy 1.
• pochodna funkcji $(e^{x})'=e^{x}\;$
• całka funkcji $\int e^{x}\,dx=e^{x}+C$, gdzie C jest dowolną stałą całkowania.
• z definicji wprost wynika, że funkcja wykładnicza o podstawie e jest odwrotną do logarytmu naturalnego:

  $\ \ln e^{x}=x$

  $\ e^{\ln x}=x$

• Z przedziału (0; 1) wylosujmy liczbę rzeczywistą (z rozkładem jednostajnym), następnie drugą, trzecią... Liczby te dodajemy (pierwsza+druga+trzecia+...) i przerywamy działanie, gdy suma przekroczy 1. Wartość oczekiwana liczby wylosowanych składników wynosi e.
• Jest jednym z elementów tak zwanej najpiękniejszej równości, wiążącej e z innymi słynnymi liczbami: jednostką urojoną i, π, jednością i zerem:

  $\ e^{i\pi }+1=0$

Inne wzory pozwalające obliczyć stałą e

Granice ciągów

$e=\lim _{n\to \infty }{\frac {n}{\sqrt[{n}]{n!}}}$

$e=\lim _{n\to \infty }n\cdot \left({\frac {\sqrt {2\pi n}}{n!}}\right)^{1/n}$

(oba to tzw. wzory Stirlinga)

$e=\lim _{n\to \infty }{\frac {n!}{!n}}$

$e=\lim _{n\to \infty }\left({\rm {}}{\frac {(n+1)^{n+1}}{n^{n}}}-{\frac {n^{n}}{(n-1)^{n-1}}}\right)$

Szeregi nieskończone

$e=2+{\frac {1}{1+{\frac {1}{2+{\frac {2}{3+{\frac {3}{\ddots }}}}}}}}.$

$e=\left[\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{k}}{k!}}\right]^{-1}$

$e=\left[\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1-2k}{(2k)!}}\right]^{-1}$

$e={\frac {1}{2}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {k+1}{k!}}$

$e=2\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {k+1}{(2k+1)!}}$

$e=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {3-4k^{2}}{(2k+1)!}}$

$e=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(3k)^{2}+1}{(3k)!}}$

$e=\left[\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {4k+3}{2^{2k+1}\,(2k+1)!}}\right]^{2}$

$e={\frac {-12}{\pi ^{2}}}\left[\sum _{k=1}^{\infty }{\frac {1}{k^{2}}}\ \cos \left({\frac {9}{k\pi +{\sqrt {k^{2}\pi ^{2}-9}}}}\right)\right]^{-1/3}$

$e=\sum _{k=1}^{\infty }{\frac {k^{2}}{2(k!)}}$

Iloczyny nieskończone

$e=2\cdot {\sqrt {\frac {4}{3}}}\cdot {\sqrt[{4}]{\frac {6\cdot 8}{5\cdot 7}}}\cdot {\sqrt[{8}]{\frac {10\cdot 12\cdot 14\cdot 16}{9\cdot 11\cdot 13\cdot 15}}}\cdots$

${\frac {2\cdot 2^{(\ln(2)-1)^{2}}\cdots }{2^{\ln(2)-1}\cdot 2^{(\ln(2)-1)^{3}}\cdots }}$

$e=2\left({\frac {2}{1}}\right)^{1/2}\left({\frac {2}{3}}\;{\frac {4}{3}}\right)^{1/4}\left({\frac {4}{5}}\;{\frac {6}{5}}\;{\frac {6}{7}}\;{\frac {8}{7}}\right)^{1/8}\cdots$

Kultura e

W celu zapamiętania kolejnych cyfr dziesiętnych liczby e tworzone są wierszyki, a nawet opowiadania (podobnie jak o liczbie π), w których długość każdego kolejnego słowa równa się kolejnej cyfrze w rozwinięciu dziesiętnym e:

"We present a mnemonic to memorize a constant so exciting that Euler exclaimed: '!' when first it was found, yes, loudly '!'. My students perhaps will compute e, use power or Taylor series, an easy summation formula, obvious, clear, elegant!"

Gdzie znak "!" oznacza cyfrę 0.

Inne interpretacje liczby e

Wkładamy do pewnego banku jedną złotówkę. Załóżmy, że oprocentowanie wkładu (stopa procentowa) w skali rocznej wynosi 100%. Ale odsetki mogą być doliczane do kwoty podstawowej w różnorodny sposób. Jeśli będą obliczane po upływie roku, to na koniec roku będziemy mieli 2 złote. Jeśli będą dwa okresy kapitalizacji (czyli odsetki obliczane dwa razy w roku), to na koniec roku będziemy mieć $\left(1+{\frac {1}{2}}\right)^{2}$, czyli 2,25 złotego. W przypadku kapitalizacji co kwartał otrzymamy $\left(1+{\frac {1}{4}}\right)^{4}$, co w przybliżeniu wynosi 2,44 zł. Jeśli kapitalizacja odbywała się w sposób ciągły (czyli liczba okresów dąży do nieskończoności) to na koniec roku otrzymamy $\lim _{n\to \infty }\left(1+{\frac {1}{n}}\right)^{n}$ czyli e złotych.

Dowód niewymierności e

Używamy n-tego przybliżenia $e$, które zapisujemy $e_{n}$:

$e_{n}=\sum _{k=0}^{n}{1 \over k!}$

Szacujemy błąd $e-e_{n}=\sum _{k=n+1}^{\infty }{1 \over k!}=$

$={1 \over (n+1)!}\cdot \left(1+{\frac {1}{n+2}}+{\frac {1}{(n+2)(n+3)}}+\dots \right)<$

$<{1 \over (n+1)!}\cdot \left(1+{\frac {1}{n+1}}+{\frac {1}{(n+1)^{2}}}+\dots \right)=$

$={1 \over (n+1)!}\cdot {\frac {1}{1-{\frac {1}{n+1}}}}={\frac {1}{n!\cdot n}}$

Z tego wynika, że $e=e_{n}+{\frac {\theta }{n!\cdot n}}=\sum _{k=0}^{n}{1 \over k!}+{\frac {\theta }{n!\cdot n}}$, gdzie $0<\theta <1$

Dowód przez zaprzeczenie:

Załóżmy, że $e$ jest liczbą wymierną. Czyli da się ją przedstawić w postaci ${\frac {p}{q}}$ gdzie $p,q\in \mathbb {Z} ,q\neq 0$.

W tym wzorze bierzemy tak duże $n$, żeby było większe od $q$.

Wówczas: ${\frac {p}{q}}=\sum _{k=0}^{n}{1 \over k!}+{\frac {\theta }{n!\cdot n}}$

Mnożąc stronami przez ${n!}$ dostajemy: $p\cdot {\frac {n!}{q}}=\sum _{k=0}^{n}{{n!} \over {k!}}+{\frac {\theta }{n}}$

${\frac {n!}{q}}\in \mathbb {Z}$, więc $p\cdot {\frac {n!}{q}}\in \mathbb {Z}$

${{n!} \over {k!}}\in \mathbb {Z}$, więc $\sum _{k=0}^{n}{{n!} \over {k!}}\in \mathbb {Z}$

Zostały same liczby całkowite poza ${\frac {\theta }{n}}$, która całkowita nie jest.

To dowodzi sprzeczności.

Zobacz też

• logarytm
• logarytm dziesiętny
• logarytm binarny
• funkcja wykładnicza
• wzór Eulera
• przegląd zagadnień z zakresu matematyki

Bibliografia

• Bogdan Miś: Tajemnicza liczba e i inne sekrety matematyki. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1989.brak strony w książce

Linki zewnętrzne

• http://mathworld.wolfram.com/e.html
• http://planetmath.org/encyclopedia/EulerianNumber.html.
• http://antwrp.gsfc.nasa.gov/htmltest/gifcity/e.1mil