e (число)

e {displaystyle e} — основание натурального логарифма, математическая константа, иррациональное и трансцендентное число. Приблизительно равно 2,71828. Иногда число e {displaystyle e} называют числом Эйлера или числом Непера. Обозначается строчной латинской буквой «e».

Число e {displaystyle e} играет важную роль в дифференциальном и интегральном исчислении, а также во многих других разделах математики.

Поскольку функция экспоненты e x {displaystyle e^{x}} интегрируется и дифференцируется «сама в себя», логарифмы именно по основанию e {displaystyle e} принимаются как натуральные.

Способы определения

Число e {displaystyle e} может быть определено несколькими способами.

• Через предел: e = lim x → ∞ ( 1 + 1 x ) x {displaystyle e=lim _{x o infty }left(1+{frac {1}{x}} ight)^{x}} (второй замечательный предел). e = lim n → ∞ n n ! n {displaystyle e=lim _{n o infty }{frac {n}{sqrt[{n}]{n!}}}} (это следует из формулы Муавра — Стирлинга).
• Как сумма ряда: e = ∑ n = 0 ∞ 1 n ! {displaystyle e=sum _{n=0}^{infty }{frac {1}{n!}}} или 1 e = ∑ n = 2 ∞ ( − 1 ) n n ! {displaystyle {frac {1}{e}}=sum _{n=2}^{infty }{frac {(-1)^{n}}{n!}}} .
• Как единственное число a {displaystyle a} , для которого выполняется ∫ 1 a d x x = 1. {displaystyle int limits _{1}^{a}{frac {dx}{x}}=1.}
• Как единственное положительное число a {displaystyle a} , для которого верно d d x a x = a x . {displaystyle {frac {d}{dx}}a^{x}=a^{x}.}

Свойства

• Производная экспоненты равна самой экспоненте: d e x d x = e x . {displaystyle {frac {de^{x}}{dx}}=e^{x}.}
  Это свойство играет важную роль в решении дифференциальных уравнений. Так, например, общим решением дифференциального уравнения d f ( x ) d x = f ( x ) {displaystyle {frac {df(x)}{dx}}=f(x)} являются функции f ( x ) = c e x {displaystyle f(x)=ce^{x}} , где c {displaystyle c} — произвольная константа.
• Число e {displaystyle e} иррационально. Доказательство иррациональности является элементарным.

• Число e {displaystyle e} трансцендентно. Впервые это было доказано в 1873 году Шарлем Эрмитом. Трансцендентность числа e {displaystyle e} следует из теоремы Линдемана.
• Предполагается, что e {displaystyle e} — нормальное число, то есть частота появления разных цифр в его записи одинакова. В настоящее время (2017) эта гипотеза не доказана.
• Число e {displaystyle e} является вычислимым (а значит, и арифметическим) числом.
• e i x = cos ⁡ ( x ) + i ⋅ sin ⁡ ( x ) {displaystyle e^{ix}=cos(x)+icdot sin(x)} , см. формула Эйлера, в частности
  • e i π + 1 = 0. {displaystyle e^{ipi }+1=0.}
  • e = cos ⁡ ( i ) − i sin ⁡ ( i ) = sinh ⁡ ( 1 ) + cosh ⁡ ( 1 ) {displaystyle e=cos(i)-isin(i)=sinh(1)+cosh(1)}
• Формула, связывающая числа e {displaystyle e} и π {displaystyle pi } , т. н. интеграл Пуассона или интеграл Гаусса ∫ − ∞ ∞   e − x 2 d x = π {displaystyle int limits _{-infty }^{infty } e^{-x^{2}}{dx}={sqrt {pi }}}
• Для любого комплексного числа z верны следующие равенства: e z = ∑ n = 0 ∞ 1 n ! z n = lim n → ∞ ( 1 + z n ) n . {displaystyle e^{z}=sum _{n=0}^{infty }{frac {1}{n!}}z^{n}=lim _{n o infty }left(1+{frac {z}{n}} ight)^{n}.}
• Число e {displaystyle e} разлагается в бесконечную цепную дробь следующим образом (простое доказательство этого разложения, связанное с аппроксимациями Паде, приведено в): e = [ 2 ; 1 , 2 , 1 , 1 , 4 , 1 , 1 , 6 , 1 , 1 , 8 , 1 , 1 , 10 , 1 , … ] {displaystyle e=[2;;1,2,1,;1,4,1,;1,6,1,;1,8,1,;1,10,1,ldots ]} , то есть e = 2 + 1 1 + 1 2 + 1 1 + 1 1 + 1 4 + 1 1 + 1 1 + 1 6 + 1 1 + 1 1 + 1 8 + 1 1 + 1 1 + 1 10 + 1 1 + … {displaystyle e=2+{cfrac {1}{1+{cfrac {1}{2+{cfrac {1}{1+{cfrac {1}{1+{cfrac {1}{4+{cfrac {1}{1+{cfrac {1}{1+{cfrac {1}{6+{cfrac {1}{1+{cfrac {1}{1+{cfrac {1}{8+{cfrac {1}{1+{cfrac {1}{1+{cfrac {1}{10+{cfrac {1}{1+ldots }}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}
• Или эквивалентным ему: e = 2 + 1 1 + 1 2 + 2 3 + 3 4 + 4 … {displaystyle e=2+{cfrac {1}{1+{cfrac {1}{2+{cfrac {2}{3+{cfrac {3}{4+{cfrac {4}{ldots }}}}}}}}}}}
• Для быстрого вычисления большого числа знаков удобнее использовать другое разложение: e + 1 e − 1 = 2 + 1 6 + 1 10 + 1 14 + 1 … {displaystyle {frac {e+1}{e-1}}=2+{cfrac {1}{6+{cfrac {1}{10+{cfrac {1}{14+{cfrac {1}{ldots }}}}}}}}}
• e = lim n → ∞ n n ! n . {displaystyle e=lim _{n o infty }{frac {n}{sqrt[{n}]{n!}}}.}
• Представление Каталана: e = 2 ⋅ 4 3 ⋅ 6 ⋅ 8 5 ⋅ 7 4 ⋅ 10 ⋅ 12 ⋅ 14 ⋅ 16 9 ⋅ 11 ⋅ 13 ⋅ 15 8 ⋅ 18 ⋅ 20 ⋅ 22 ⋅ 24 ⋅ 26 ⋅ 28 ⋅ 30 ⋅ 32 17 ⋅ 19 ⋅ 21 ⋅ 23 ⋅ 25 ⋅ 27 ⋅ 29 ⋅ 31 16 ⋯ {displaystyle e=2cdot {sqrt {frac {4}{3}}}cdot {sqrt[{4}]{frac {6cdot 8}{5cdot 7}}}cdot {sqrt[{8}]{frac {10cdot 12cdot 14cdot 16}{9cdot 11cdot 13cdot 15}}}cdot {sqrt[{16}]{frac {18cdot 20cdot 22cdot 24cdot 26cdot 28cdot 30cdot 32}{17cdot 19cdot 21cdot 23cdot 25cdot 27cdot 29cdot 31}}}cdots }
• Представление через произведение: e = 3 ⋅ ∏ k = 1 ∞ ( 2 k + 3 ) k + 1 2 ( 2 k − 1 ) k − 1 2 ( 2 k + 1 ) 2 k {displaystyle e={sqrt {3}}cdot prod limits _{k=1}^{infty }{frac {left(2k+3 ight)^{k+{frac {1}{2}}}left(2k-1 ight)^{k-{frac {1}{2}}}}{left(2k+1 ight)^{2k}}}}
• Через числа Белла

e = 1 B n ∑ k = 0 ∞ k n k ! {displaystyle e={frac {1}{B_{n}}}sum _{k=0}^{infty }{frac {k^{n}}{k!}}}

• Мера иррациональности числа e {displaystyle e} равна 2 {displaystyle 2} (что есть наименьшее возможное значение для иррациональных чисел).

История

Данное число раньше иногда называли неперовым в честь шотландского учёного Непера, автора работы «Описание удивительной таблицы логарифмов» (1614 год). Однако это название не совсем корректно, так как у него логарифм числа x {displaystyle x} был равен 10 7 ⋅ log 1 / e ⁡ ( x 10 7 ) {displaystyle 10^{7}cdot ,log _{1/e}left({frac {x}{10^{7}}} ight)} .

Впервые константа негласно присутствует в приложении к переводу на английский язык вышеупомянутой работы Непера, опубликованному в 1618 году. Негласно, потому что там содержится только таблица натуральных логарифмов, определённых из кинематических соображений, сама же константа не присутствует.

Предполагается, что автором таблицы был английский математик Отред.

Саму же константу впервые вычислил швейцарский математик Якоб Бернулли в ходе решения задачи о предельной величине процентного дохода. Он обнаружил, что если исходная сумма $ 1 {displaystyle $1} и начисляется 100 % {displaystyle 100%} годовых один раз в конце года, то итоговая сумма будет $ 2 {displaystyle $2} . Но если те же самые проценты начислять два раза в год, то $ 1 {displaystyle $1} умножается на 1 , 5 {displaystyle 1{,}5} дважды, получая $ 1 , 00 ⋅ 1 , 5 2 = $ 2 , 25 {displaystyle $1{,}00cdot 1{,}5^{2}=$2{,}25} . Начисления процентов раз в квартал приводит к $ 1 , 00 ⋅ 1 , 25 4 = $ 2,441 40625 {displaystyle $1{,}00cdot 1{,}25^{4}=$2{,}44140625} , и так далее. Бернулли показал, что если частоту начисления процентов бесконечно увеличивать, то процентный доход в случае сложного процента имеет предел: lim n → ∞ ( 1 + 1 n ) n {displaystyle lim _{n o infty }left(1+{frac {1}{n}} ight)^{n}} , и этот предел равен числу e   ( ≈ 2,718 28 ) {displaystyle e~(approx 2{,}71828)} .

$ 1 , 00 ⋅ ( 1 + 1 12 ) 12 = $ 2,613 035... {displaystyle $1{,}00cdot left(1+{frac {1}{12}} ight)^{12}=$2{,}613035...}

$ 1 , 00 ⋅ ( 1 + 1 365 ) 365 = $ 2,714 567... {displaystyle $1{,}00cdot left(1+{frac {1}{365}} ight)^{365}=$2{,}714567...}

Таким образом, константа e {displaystyle e} означает максимально возможную годовую прибыль при 100 % {displaystyle 100%} годовых и максимальной частоте капитализации процентов.

Первое известное использование этой константы, где она обозначалась буквой b {displaystyle b} , встречается в письмах Лейбница Гюйгенсу, 1690—1691 годы.

Букву e {displaystyle e} начал использовать Эйлер в 1727 году, впервые она встречается в письме Эйлера немецкому математику Гольдбаху от 25 ноября 1731 года, а первой публикацией с этой буквой была его работа «Механика, или Наука о движении, изложенная аналитически», 1736 год. Соответственно, e {displaystyle e} обычно называют числом Эйлера. Хотя впоследствии некоторые учёные использовали букву c {displaystyle c} , буква e {displaystyle e} применялась чаще и в наши дни является стандартным обозначением.

В языках программирования символу e {displaystyle e} в экспоненциальной записи чисел соответствует число 10, а не Эйлерово число. Это связано с историей создания и использования языка FORTRAN для математических вычислений.

Приближения

• Число можно запомнить как 2, 7 и повторяющиеся 18, 28, 18, 28. Мнемоническое правило: два и семь, далее два раза год рождения Льва Толстого (1828), затем углы равнобедренного прямоугольного треугольника (45, 90 и 45 градусов). Стихотворная мнемофраза, иллюстрирующая часть этого правила: «Экспоненту помнить способ есть простой: два и семь десятых, дважды Лев Толстой»
• Мнемоническое стихотворение, позволяющее запомнить первые 12 знаков после запятой (длины слов кодируют цифры числа e): Мы порхали и блистали, / Но застряли в перевале: / Не признали наши крали / Авторалли.[значимость факта?]
• e ≈ ( 1 + 1 10 6 ) 10 6 {displaystyle eapprox (1+{frac {1}{10^{6}}})^{10^{6}}} , с точностью 0,000001;

В соответствии с теорией непрерывных дробей наилучшими рациональными приближениями числа e {displaystyle e} будут подходящие дроби разложения числа e {displaystyle e} в непрерывную дробь.

Число 19/7 превосходит число e {displaystyle e} менее чем на 0,004; Число 87/32 превосходит число e {displaystyle e} менее чем на 0,0005; Число 193/71 превосходит число e {displaystyle e} менее чем на 0,00003; Число 1264/465 превосходит число e {displaystyle e} менее чем на 0,000003; Число 2721/1001 превосходит число e {displaystyle e} менее чем на 0,0000002;

• Площадь поверхности квадратной пирамиды, у которой боковые грани правильные треугольники с длиной ребра 1 (точность 0,014).[значимость факта?]

Открытые проблемы

• Неизвестно, является ли число e {displaystyle e} элементом кольца периодов.
• Неизвестна мера иррациональности ни для одного из следующих чисел: π + e , π − e , π ⋅ e , π e , π e , e π 2 , e e , 2 e . {displaystyle pi +e,pi -e,pi cdot e,{frac {pi }{e}},pi ^{e},e^{pi ^{2}},e^{e},2^{e}.} Ни для одного из них неизвестно даже, является ли оно рациональным числом, алгебраическим иррациональным или трансцендентным числом. Следовательно, неизвестно, являются ли числа π {displaystyle pi } и e {displaystyle e} алгебраически независимыми..
• Неизвестно, является ли первое число Скьюза e e e 79 {displaystyle e^{e^{e^{79}}}} целым числом.