自然常数 e 与欧拉恒等式【二】

一、log 与 ln

1.1 log

对数是在问,底数 a 的多少次方等于 x?

例如:

我们的底数 a 是 10,x 是 100,用对数描述就是:

1.2 ln

ln 是一种特殊的 log,他以 e 为底数,也就是:

我们知道 e 的 1 次方就是 e,所以可得:

二、e 的导数

2.1 e的定义回顾

如果你存 1 块钱给银行,银行的年利率是 100% 如果一年存一次可获得 2 元,如果存 12 次可获得 2.613 元,如果存无限多次,最多也只能获得 e 元。

至此我们得到了 e 的定义:

那么,我们如果要把这 1 元以同等的利率方式存两年呢?

可得:

由此看出,我们存 x 年就是:

2.2 e 的导数

导数恰好就是描述某一瞬间增长的速度。

有趣的来了, 恰好是描述在一段时间内,自身增长 100% 的连续增长 / 时间。

我们不计算微分,仅取 1.0001次方 与 1 次方计算,可见还是能约等于 e:

而我们将底数换成 5 其结果则等于 8.048:

所以根据导数的定义,所以 e^x 的导数等于自身:

对于其他的底数求导公式则是:

三、为什么欧拉公式要用 e

3.1 以 e 为底数

我们知道,欧拉公式为:

这是因为 的增长率等于自身。

我们希望 θ 增长多少,角度就增长多少,所以用 e 作为底数是天然适用的。

如果我们对两端同时求导:

等于:

也就是说,只有底数为 e 的情况下,两边分别求导才是相等的。

3.2 以其他数为底数

如果我们以 5 为底数,为了保证公式的等价,结果是这样:

四、e 的连续

4.1 RC 电路

假设我们有一个电路:

R = 1000Ω

C = 0.001F

其中,Vs 能提供的电压是 10V。

我们将要计算电容什么时候可以充满 (也就是电容两端的电压什么时候达到 10V)。

我们使用电容电压充电公式:

  • Vc(t):t 时刻的电容电压,单位 V
  • Vs:电源电压,也是电容最终趋近的电压,单位 V
  • t:已经充电的时间,单位 s
  • R:串联电阻,单位 Ω
  • C:电容量,单位 F
  • RC:时间常数,通常写成 τ

首先计算 τ 的值:

代入公式可得每秒的电容电压。

1s:

2s:

3s:

电压如图所示:

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