Ru.Wikipedia.Org - e(число)

Меню
Главная
Случайная статья
Настройки

e(число)
Материал из https://ru.wikipedia.org

$e$ — основание натурального логарифма, математическая константа, иррациональное и трансцендентное число. Приблизительно равно 2,71828. Иногда число

e

называют числом Эйлера или числом Непера. Обозначается строчной латинской буквой «e».

Число

e

играет важную роль в дифференциальном и интегральном исчислении, а также во многих других разделах математики.

Поскольку функция экспоненты

e^{x}

интегрируется и дифференцируется «сама в себя», логарифмы именно по основанию

e

принимаются как натуральные.

Содержание

Способы определения

Число

e

может быть определено несколькими способами.

Через предел:
$e=\lim _{x\to \infty }\left(1+{\frac {1}{x}}\right)^{x}$ (второй замечательный предел).

$e=\lim _{n\to \infty }{\frac {n}{\sqrt[{n}]{n!}}}$ (это следует из формулы Муавра — Стирлинга).
Как сумма ряда:
$e=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{n!}}$ или ${\frac {1}{e}}=\sum _{n=2}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{n!}}$ .
Как единственное число $a$ , для которого выполняется
$\int \limits _{1}^{a}{\frac {dx}{x}}=1.$
Как единственное положительное число $a$ , для которого верно
${\frac {d}{dx}}a^{x}=a^{x}.$

$\int a^{x}\,dx=a^{x}+C.$
Как точка пересечения ветвей графика функции $x^{y}=y^{x}$ .

Свойства

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

Доказательство иррациональности

Предположим, что

e

рационально. Тогда

e=p/q

, где

p

— целое, а

q

— натуральное.

Следовательно

p=eq

Умножая обе части уравнения на $(q-1)!$ , получаем

p(q-1)!=eq!=q!\sum _{n=0}^{\infty }{1 \over n!}=\sum _{n=0}^{\infty }{q! \over n!}=\sum _{n=0}^{q}{q! \over n!}+\sum _{n=q+1}^{\infty }{q! \over n!}

Переносим $\sum _{n=0}^{q}{q! \over n!}$ в левую часть:

\sum _{n=q+1}^{\infty }{q! \over n!}=p(q-1)!-\sum _{n=0}^{q}{q! \over n!}

Все слагаемые правой части целые, следовательно, и сумма в левой части — целая. Но эта сумма и положительна, значит, она не меньше 1.

С другой стороны,

\sum _{n=q+1}^{\infty }{q! \over n!}=\sum _{m=1}^{\infty }{q! \over (q+m)!}=\sum _{m=1}^{\infty }{1 \over (q+1)...(q+m)}<\sum _{m=1}^{\infty }{1 \over (q+1)^{m}}

Суммируя геометрическую прогрессию в правой части, получаем:

\sum _{n=q+1}^{\infty }{q! \over n!}<{1 \over q}

Поскольку $q\geq 1$ ,

\sum _{n=q+1}^{\infty }{q! \over n!}<1

Получаем противоречие.

Число $e$ трансцендентно. Впервые это было доказано в 1873 году Шарлем Эрмитом^[1]. Трансцендентность числа $e$ следует из теоремы Линдемана.
Предполагается, что $e$ — нормальное число, то есть частота появления разных цифр в его записи одинакова. В настоящее время (2017) эта гипотеза не доказана.
Число $e$ является вычислимым (а значит, и арифметическим) числом.
$e^{ix}=\cos(x)+i\cdot \sin(x)$ , см. формула Эйлера, в частности
- $e^{i\pi }+1=0.$
- $e=\cos(i)-i\sin(i)=\sinh(1)+\cosh(1)$
Формула, связывающая числа $e$ и $\pi$ , т. н. интеграл Пуассона или интеграл Гаусса
$\int \limits _{-\infty }^{\infty }\ e^{-x^{2}}{dx}={\sqrt {\pi }}$
Для любого комплексного числа z верны следующие равенства:
$e^{z}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{n!}}z^{n}=\lim _{n\to \infty }\left(1+{\frac {z}{n}}\right)^{n}.$
Другие связи между константами:
${\frac {\pi }{e}}=2\prod \limits _{k=1}^{\infty }\left({\frac {2k+1}{2k-1}}\right)^{2k-1}\left({\frac {k}{k+1}}\right)^{2k}$

$\pi \cdot e=6\prod \limits _{k=1}^{\infty }\left({\frac {2k+3}{2k+1}}\right)^{2k+1}\left({\frac {k}{k+1}}\right)^{2k}$
Формула, найденная Сринивасой Рамануджаном:
$1+{\frac {1}{1\cdot 3}}+{\frac {1}{1\cdot 3\cdot 5}}+{\frac {1}{1\cdot 3\cdot 5\cdot 7}}+{\frac {1}{1\cdot 3\cdot 5\cdot 7\cdot 9}}+\ldots +{\frac {1}{1+\displaystyle {\frac {1}{1+\displaystyle {\frac {2}{1+\displaystyle {\frac {3}{1+\displaystyle {\frac {4}{1+\displaystyle {\frac {5}{1+\ldots }}}}}}}}}}}}={\sqrt {\frac {e\cdot \pi }{2}}}$
Число $e$ разлагается в бесконечную цепную дробь следующим образом (простое доказательство этого разложения, связанное с аппроксимациями Паде, приведено в^[2]):
$e=[2;\;1,2,1,\;1,4,1,\;1,6,1,\;1,8,1,\;1,10,1,\ldots ]$ , то есть

$e=2+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{4+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{6+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{8+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{10+{\cfrac {1}{1+\ldots }}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

или в эквивалентной записи:

$e=2+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {2}{3+{\cfrac {3}{4+{\cfrac {4}{\ldots }}}}}}}}}}$
Для быстрого вычисления большого числа знаков удобнее использовать следующее разложение:
${\frac {e+1}{e-1}}=2+{\cfrac {1}{6+{\cfrac {1}{10+{\cfrac {1}{14+{\cfrac {1}{\ldots }}}}}}}}$
$e=\lim _{n\to \infty }{\frac {n}{\sqrt[{n}]{n!}}}.$
Представление Каталана:
$e=2\cdot {\sqrt {\frac {4}{3}}}\cdot {\sqrt[{4}]{\frac {6\cdot 8}{5\cdot 7}}}\cdot {\sqrt[{8}]{\frac {10\cdot 12\cdot 14\cdot 16}{9\cdot 11\cdot 13\cdot 15}}}\cdot {\sqrt[{16}]{\frac {18\cdot 20\cdot 22\cdot 24\cdot 26\cdot 28\cdot 30\cdot 32}{17\cdot 19\cdot 21\cdot 23\cdot 25\cdot 27\cdot 29\cdot 31}}}\cdots$
Представление через бесконечное произведение:
$e=\prod _{n=2}^{\infty }\left({\frac {n}{n-1}}\right)\left({\frac {n^{2}-1}{n^{2}}}\right)^{n-1}$
Представление через числа Белла:
$e={\frac {1}{B_{n}}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {k^{n}}{k!}}$
Мера иррациональности числа $e$ равна $2$ (что есть наименьшее возможное значение для иррациональных чисел)^[3].

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

был равен

10^{7}\cdot \,\log _{1/e}\left({\frac {x}{10^{7}}}\right)

.

Впервые константа негласно присутствует в приложении к переводу на английский язык (с латыни) 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

и начисляется

100\%

годовых один раз в конце года, то итоговая сумма будет

\$2

. Но если те же самые проценты начислять два раза в год, то

\$1

умножается на

1{,}5

дважды, получая

\$1{,}00\cdot 1{,}5^{2}=\$2{,}25

. Начисления процентов раз в квартал приводит к

\$1{,}00\cdot 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\to \infty }\left(1+{\frac {1}{n}}\right)^{n}

, и этот предел равен числу

e~(\approx 2{,}71828)

\$1{,}00\cdot \left(1+{\frac {1}{12}}\right)^{12}=\$2{,}613035...

\$1{,}00\cdot \left(1+{\frac {1}{365}}\right)^{365}=\$2{,}714567...

Таким образом, константа

e

означает максимально возможную годовую прибыль при

100\%

годовых и максимальной частоте капитализации процентов^[4].

Первое известное использование этой константы, где она обозначалась буквой

b

, встречается в письмах Лейбница Гюйгенсу, 1690—1691 годы.

Букву

e

начал использовать Эйлер в 1727 году, впервые она встречается в письме Эйлера немецкому математику Гольдбаху от 25 ноября 1731 года^[5]^[6], а первой публикацией с этой буквой была его работа «Механика, или Наука о движении, изложенная аналитически», 1736 год. Соответственно,

e

обычно называют числом Эйлера. Хотя впоследствии некоторые учёные использовали букву

c

, буква

e

применялась чаще и в наши дни является стандартным обозначением.

В языках программирования символу

e

в экспоненциальной записи чисел соответствует число 10, а не Эйлерово число. Это связано с историей создания и использования языка FORTRAN для математических вычислений^[7].

Количество знаков после запятой

Количество известных десятичных цифр числа
Дата	Десятичные цифры	Вычислил
1690	1	Якоб Бернулли
1714	13	Роджер Котс^[8]
1748	23	Леонард Эйлер^[9]
1853	137	Вильям Шенкс^[10]
1871	205	Вильям Шенкс^[11]
1949	2010	Джон фон Нейман (на ENIAC)
1961	100 265	Дэниел Шенкс and Джон Ренч^[англ.]^[12]
1978	116 000	Стив Возняк (на Apple II)^[13]

Число известных цифр числа

Примерно с 2010 года распространение современных высокоскоростных настольных компьютеров позволило любителям вычислять триллионы знаков числа

Мнемоника

Мнемоническое правило для числа Эйлера с точностью до 21 знака после запятой: 2 и 7, далее два раза год рождения Льва Толстого (1828), затем углы равнобедренного прямоугольного треугольника (45, 90 и 45 градусов), после них три первых простых числа (2, 3 и 5) и количество градусов в полном обороте (360).

Стихотворная мнемофраза, иллюстрирующая часть этого правила для первых девяти цифр после запятой:

Экспоненту помнить способ есть простой: два и семь десятых, дважды Лев Толстой

Приближения

$e\approx (1+{\frac {1}{10^{6}}})^{10^{6}}$ , с точностью 0,000001;

В соответствии с теорией непрерывных дробей наилучшими рациональными приближениями числа

e

будут подходящие дроби разложения числа

e

в непрерывную дробь.

Число 19/7 превосходит число

e

менее чем на 0,004;

Число 87/32 превосходит число

e

менее чем на 0,0005;

Число 193/71 превосходит число

e

менее чем на 0,00003;

Число 1264/465 превосходит число

e

менее чем на 0,000003;

Число 2721/1001 превосходит число

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 $e$ элементом кольца периодов.
Неизвестна мера иррациональности ни для одного из следующих чисел: $\pi +e,\pi -e,\pi \cdot e,{\frac {\pi }{e}},\pi ^{e},e^{\pi ^{2}},e^{e},2^{e}.$ Ни для одного из них неизвестно даже, является ли оно рациональным числом, алгебраическим иррациональным или трансцендентным числом. Следовательно, неизвестно, являются ли числа $\pi$ и $e$ алгебраически независимыми^[17]^[18]^[19]^[20]^[21]^[22].
Неизвестно, является ли первое число Скьюза $e^{e^{e^{79}}}$ целым числом.

См. также

Примечания

Математическая энциклопедия. — Москва: Советская энциклопедия, 1985. — Т. 5. — С. 426.
William Adkins. A Short Proof of the Simple Continued Fraction Expansion of e . arXiv. arXiv (25 февраля 2006). Дата обращения: 1 марта 2017. Архивировано 2 марта 2017 года.
Weisstein, Eric W. Мера иррациональности (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
O'Connor, J J; Robertson, E F. The number e . MacTutor History of Mathematics. Дата обращения: 23 октября 2014. Архивировано 11 февраля 2012 года.
Lettre XV. Euler Goldbach, dated November 25, 1731 in: P. H. Fuss, ed., Correspondance Mathmatique et Physique de Quelques Clbres Gomtres du XVIIIeme Sicle, vol. 1, (St. Petersburg, Russia: 1843), pp. 56—60 ; см. page 58. Архивная копия от 31 января 2017 на Wayback Machine
Roger Cotes (1714) "Logometria, " Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 29 (338) : 5-45; see especially the bottom of page 10. From page 10: "Porro eadem ratio est inter 2,718281828459 &c et 1, … " (Furthermore, by the same means, the ratio is between 2.718281828459… and 1, …)
Leonhard Euler, Introductio in Analysin Infinitorum (Lausanne, Switzerland: Marc Michel Bousquet & Co., 1748), volume 1, page 90.
William Shanks, Contributions to Mathematics, … (London, England: G. Bell, 1853), page 89.
William Shanks (1871) "On the numerical values of Proceedings of the Royal Society of London, 20 : 27-29.
Daniel Shanks; John W Wrench (1962). Calculation of Pi to 100,000 Decimals (PDF). Mathematics of Computation. 16 (77): 76–99. doi:10.2307/2003813. JSTOR 2003813. p. 78: We have computed e on a 7090 to 100,265D by the obvious program
Wozniak, Steve (Июнь 1981). The Impossible Dream: Computing $e$ to 116,000 Places with a Personal Computer. BYTE. Vol. 6, no. 6. McGraw-Hill. p. 392. Дата обращения: 18 октября 2013.
Sebah, P. and Gourdon, X.; The constant e and its computation
Gourdon, X.; Reported large computations with PiFast
Alexander Yee: y-cruncher - A Multi-Threaded Pi Program . Numberworld (15 марта 2025).
Weisstein, Eric W. Иррациональное число (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
Weisstein, Eric W. Pi (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
Sondow, Jonathan and Weisstein, Eric W. e (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
Some unsolved problems in number theory . Дата обращения: 8 декабря 2011. Архивировано 19 июля 2010 года.
Weisstein, Eric W. Трансцендентное число (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
An introduction to irrationality and transcendence methods . Дата обращения: 8 декабря 2011. Архивировано 17 мая 2013 года.

Ссылки

Число e — статья из энциклопедии «Кругосвет»
Горобец Б. С. Мировые константы в основных законах физики и физиологии (рус.) // Наука и жизнь. — 2004. — № 2. (статья с примерами физического смысла констант $\pi$ и $e$ )
J. J. O'Connor, E. F. Robertson. История числа e (англ.). MacTutor History of Mathematics archive. School of Mathematics and Statistics, University of St Andrews, Scotland (сентябрь 2001).
e for 2.71828… (англ.) (история и правило Джексона)
«Экспонента и число е: просто и понятно Архивная копия от 25 сентября 2015 на Wayback Machine» — перевод статьи An Intuitive Guide To Exponential Functions & Number e | BetterExplained (англ.)
Простое доказательство трансцендентности чисел e (на школьном уровне) и см. стр. 520—535 Веберъ Г., Вельштейнъ И. Энциклопедiя элементарной математики. Том 1. Элементарная алгебра и анализъ. 1906