Доктор геолого-минералогических наук, кандидат физико-математических наук Б. ГОРОБЕЦ.
Графики функций у = arcsin x, обратной функции у = sin х
График функции у = arctg x, обратной функции у = tg х.
Функция нормального распределения (распределение Гаусса). Максимум ее графика отвечает наиболее вероятному значению случайной величины (например, длины предмета, измеренной линейкой), а степень «расплывания» кривой зависит от параметров а и "сигма".
Жрецы Древнего Вавилона посчитали, что солнечный диск укладывается на небосводе от рассвета до заката 180 раз и ввели новую единицу измерения - градус, равный его угловому размеру.
Размеры природных образований - песчаных дюн, холмов и гор - увеличиваются с каждым шагом в среднем в 3,14 раза.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Маятник, качаясь без трения и сопротивления, сохраняет постоянную амплитуду колебаний. Появление сопротивления приводит к экспоненциальному затуханию колебаний.
В очень вязкой среде отклоненный маятник движется к положению равновесия по экспоненте.
Чешуйки сосновых шишек и завитки раковин многих моллюсков располагаются по логарифмическим спиралям.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Логарифмическая спираль пересекает все лучи, выходящие из точки О, под одинаковыми углами.
Наверно, любой абитуриент или студент на вопрос, что такое числа и е, ответит: - это число, равное отношению длины окружности к ее диаметру, а е - основание натуральных логарифмов. Если попросить определить эти числа более строго и вычислить их, студенты приведут формулы:
е = 1 + 1/1! + 1/2! + 1/3! + ... 2,7183…
(напоминаем, что факториал n! =1x 2x 3x … x n);
3(1+ 1/3x 2 3 + 1x 3/4x 5x 2 5 + .....) 3,14159…
(последним дан ряд Ньютона, есть и другие ряды).
Все это так, но, как известно, числа и е входят во множество формул в математике, физике, химии, биологии, также в экономике. Значит, они отражают какие-то общие законы природы. Какие именно? Определения этих чисел через ряды, несмотря на их правильность и строгость, все же оставляют чувство неудовлетворенности. Они абстрактны и не передают связи рассматриваемых чисел с окружающим миром посредством повседневного опыта. Не удается найти ответы на поставленный вопрос и в учебной литературе.
Между тем можно утверждать, что константа е непосредственно связана с однородностью пространства и времени, а - с изотропностью пространства. Тем самым они отражают законы сохранения: число е - энергии и импульса (количества движения), а число - вращательного момента (момента импульса). Обычно столь неожиданные утверждения вызывают удивление, хотя по существу, с точки зрения теоретической физики, в них нет ничего нового. Глубинный смысл этих мировых констант остается terra incognita для школьников, студентов и, по-видимому, даже для большинства преподавателей математики и общей физики, не говоря уже о других областях естествознания и экономики.
На первом курсе вуза можно поставить в тупик студентов таким, например, вопросом: почему при интегрировании функций типа 1/(х 2 +1) появляется арктангенс, а типа арксинус - круговые тригонометрические функции, выражающие величину дуги окружности? Иначе говоря, откуда при интегрировании "берутся круги" и куда они исчезают затем при обратном действии - дифференцировании арктангенса и арксинуса? Вряд ли на поставленный вопрос ответит сам по себе вывод соответствующих формул дифференцирования и интегрирования.
Далее, на втором курсе вуза при изучении теории вероятностей число появляется в формуле для закона нормального распределения случайных величин (см. "Наука и жизнь" № 2, 1995 г.); по ней можно, например, вычислить, с какой вероятностью монета упадет на герб любое число раз при, скажем, 100 подбрасываниях. А здесь где круги? Неужели сказывается форма монеты? Нет, формула для вероятности такая же и для монеты квадратной формы. И в самом деле - вопросы непростые.
А вот природу числа е полезно знать поглубже студентам-химикам и материаловедам, биологам и экономистам. Это поможет им понять кинетику распада радиоактивных элементов, насыщения растворов, износа и разрушения материалов, размножения микробов, воздействия сигналов на органы чувств, процессов накопления капиталов и т. д. - бесконечного множества явлений в живой и неживой природе и деятельности человека.
Число и сферическая симметрия пространства
Сначала сформулируем первый основной тезис, а затем поясним его смысл и следствия.
1. Число отражает изотропность свойств пустого пространства нашей Вселенной, их одинаковость по любому направлению. С изотропностью пространства связан закон сохранения вращательного момента.
Отсюда вытекают общеизвестные следствия, которые изучают в средней школе.
Следствие 1 . Длина дуги окружности, вдоль которой умещается ее радиус, составляет естественную дуговую и угловую единицу радиан .
Эта единица безразмерная. Чтобы найти число радианов в дуге окружности, надо измерить ее длину и разделить на длину радиуса этой окружности. Как мы знаем, вдоль любой полной окружности ее радиус укладывается приблизительно 6,28 раза. Точнее, длина полной дуги окружности составляет 2 радиан, причем в любых системах счисления и единицах длины. Когда изобретали колесо, оно получалось одинаковым и у индейцев Америки, и у кочевников Азии, и у негров Африки. Только единицы измерения дуги были разными, условными. Так, наш угловой и дуговой градус был введен вавилонскими жрецами, посчитавшими, что диск Солнца, находящегося почти в зените, укладывается 180 раз на небосводе от рассвета до заката. 1 градус 0, 0175 рад или 1 рад 57,3 ° . Можно утверждать, что и гипотетические инопланетные цивилизации без труда поняли бы одна другую, обменявшись посланием, в котором окружность разделена на шесть частей "с хвостиком"; это означало бы, что "партнер по переговорам" уже как минимум прошел стадию изобретения колеса и знает, что такое число .
Следствие 2. Предназначение тригонометрических функций - выражать соотношения между дуговыми и линейными размерами объектов, а также между пространственными параметрами процессов, происходящих в сферически симметричном пространстве.
Из сказанного ясно, что аргументы тригонометрических функций в принципе безразмерны, как и у других типов функций, т.е. это действительные числа - точки числовой оси, которые не нуждаются в градусном обозначении.
Опыт показывает, что школьники, студенты колледжей и вузов не без труда привыкают к безразмерным аргументам у синуса, тангенса и т. д. Далеко не каждый абитуриент сможет без калькулятора ответить на вопрос, чему приблизительно равен cos1 (примерно 0,5) или arctg /3. Последний пример особенно сбивает с толку. Часто говорят, что это бессмыслица: "дуга, арктангенс которой равен 60 о ". Если сказать именно так, то ошибка будет в неправомочном применении градусной меры к аргументу функции. А правильный ответ: arctg(3,14/3) arctg1 /4 3/4. К сожалению, сплошь и рядом абитуриенты и студенты говорят, что = 180 0 , после чего приходится их поправлять: в десятичной системе счисления = 3,14… . Но, конечно, можно сказать что радиан равно 180 0 .
Разберем еще одну нетривиальную ситуацию, встречающуюся в теории вероятностей. Она касается важной формулы вероятности появления случайной ошибки (или нормального закона распределения вероятностей), в которую входит число . По этой формуле можно, например, вычислить вероятность падения монеты на герб 50 раз при 100 подбрасываниях. Итак, откуда взялось в ней число ? Ведь никакие круги или окружности там вроде бы не просматриваются. А суть в том, что монета падает случайным образом в сферически симметричном пространстве, по всем направлениям которого и должны равноправно учитываться случайные колебания. Математики так и делают, интегрируя по кругу и вычисляя так называемый интеграл Пуассона, который равен и входит в указанную формулу вероятности. Наглядной иллюстрацией таких колебаний служит пример со стрельбой по мишени в неизменных условиях. Дырочки на мишени рассеяны по кругу (!) с наибольшей плотностью около центра мишени, а вероятность попадания можно вычислить по той же формуле, содержащей число .
"Замешано" ли число в природных структурах?
Попробуем разобраться в явлениях, причины которых далеко не ясны, но которые тоже, возможно, не обошлись без числа .
Отечественный географ В. В. Пиотровский сравнил средние характеристические размеры природных рельефов в следующем ряду: песчаный рифель на отмелях, дюны, сопки, горные системы Кавказа, Гималаев и др. Оказалось, что в среднем увеличение размера составляет 3,14. Аналогичная закономерность, похоже, обнаружена недавно в рельефе Луны и Марса. Пиотровский пишет: "Тектонические структурные формы, образующиеся в земной коре и выраженные на ее поверхности в виде форм рельефа, развиваются в результате каких-то общих процессов, происходящих в теле Земли, они пропорциональны размерам Земли". Уточним - пропорциональны соотношению линейных и дуговых ее размеров.
В основе указанных явлений, возможно, лежит так называемый закон распределения максимумов случайных рядов, или "закон троек", сформулированный еще в 1927 году Е. Е. Слуцким.
Статистически по закону троек происходит формирование морских прибрежных волн, что знали еще древние греки. Каждая третья волна в среднем чуть выше соседних. А в ряду этих третьих максимумов каждый третий, в свою очередь, выше своих соседей. Так образуется знаменитый девятый вал. Он - пик "периода второго ранга". Некоторые ученые предполагают, что по закону троек происходят и колебания солнечной, кометной и метеоритной активностей. Интервалы между их максимумами составляют девять-двенадцать лет или приблизительно 3 2 . Как считает доктор биологических наук Г. Розенберг, можно продолжить построение временных последовательностей следующим образом. Период третьего ранга 3 3 соответствует интервалу между сильными засухами, составляющему в среднем 27-36 лет; период 3 4 - циклу вековой солнечной активности (81-108 лет); период 3 5 - циклам оледенений (243-324 года). Совпадения станут еще лучше, если мы отступим от закона "чистых" троек и перейдем к степеням числа . Кстати, их очень легко вычислять, так как 2 почти равно 10 (когда-то в Индии число даже определялось как корень из 10). Можно и дальше продолжать подгонку циклов геологических эпох, периодов и эр под целые степени тройки (что и делает, в частности, Г. Розенберг в сборнике "Эврика-88", 1988 г.) или же числа 3,14. И всегда можно принять желаемое за действительное с той или иной точностью. (В связи с подгонками вспоминается математический анекдот. Докажем, что нечетные числа суть числа простые. Берем: 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 и т. д., а 9 здесь - ошибка опыта.) И все же идея о неочевидной роли числа p во многих геологических и биологических явлениях, похоже, не совсем пустая, и, возможно, в будущем она еще себя проявит.
Число е и однородность времени и пространства
Теперь перейдем ко второй великой мировой константе - числу е. Математически безупречное определение числа е с помощью ряда, приведенного выше, по существу, никак не проясняет его связи с физическими или иными природными явлениями. Как же подойти к этой проблеме? Вопрос непростой. Начнем, пожалуй, со стандартного явления распространения электромагнитных волн в вакууме. (Причем вакуум мы будем понимать как классическое пустое пространство, не касаясь сложнейшей природы физического вакуума.)
Всем известно, что незатухающую волну во времени можно описать синусоидой или суммой синусоид и косинусоид. В математике, физике, электротехнике такую волну (с амплитудой, равной 1) описывает экспоненциальная функция e iβt =cos βt + isin βt , где β - частота гармонических колебаний. Здесь записана одна из самых знаменитых математических формул - формула Эйлера. Именно в честь великого Леонарда Эйлера (1707-1783) по первой букве его фамилии и названо число е.
Указанная формула хорошо известна студентам, но ее необходимо пояснить учащимся нематематических школ, ибо в наше время из обычных школьных программ исключены комплексные числа. Комплексное число z = x+iy состоит из двух слагаемых - чисел действительного (x) и мнимого, которое представляет собой действительное число у, умноженное на мнимую единицу . Действительные числа отсчитывают вдоль действительной оси О х, а мнимые - в том же масштабе вдоль мнимой оси О у, единицей которой служит i, причем длина этого единичного отрезка есть модуль | i | =1. Поэтому комплексному числу соответствует точка на плоскости с координатами (х, у). Итак, необычный вид числа е с показателем, содержащим только мнимые единицы i, означает наличие лишь незатухающих колебаний, описываемых косинусоидой и синусоидой.
Ясно, что незатухающая волна демонстрирует соблюдение закона сохранения энергии для электромагнитной волны в вакууме. Такая ситуация имеет место при "упругом" взаимодействии волны со средой без потерь ее энергии. Формально это можно выразить так: если перенести начало отсчета по оси времени, энергия волны сохранится, так как у гармонической волны останутся те же амплитуда и частота, то есть энергетические единицы, а изменится лишь ее фаза, часть периода, отстоящая от нового начала отсчета. Но фаза на энергию не влияет именно по причине однородности времени при смещении начала отсчета. Итак, параллельный перенос системы координат (он называется трансляцией) законен в силу однородности времени t. Теперь, наверно, в принципе понятно, почему однородность по времени приводит к закону сохранения энергии.
Далее, представим себе волну не во времени, а в пространстве. Наглядным примером ее может служить стоячая волна (колебания струны, неподвижной в нескольких точках-узлах) или прибрежная песчаная рябь. Математически эта волна вдоль оси О х запишется как e iх =cos х + isin х. Ясно, что и в этом случае трансляция вдоль х не изменит ни косинусоиды, ни синусоиды, если пространство однородно вдоль этой оси. Опять-таки изменится лишь их фаза. Из теоретической физики известно, что однородность пространства приводит к закону сохранения количества движения (импульса), то есть массы, умноженной на скорость. Пусть теперь пространство однородно по времени (и закон сохранения энергии выполняется), но неоднородно по координате. Тогда в различных точках неоднородного пространства оказалась бы неодинаковой и скорость, так как на единицу однородного времени приходились бы различные значения длины отрезков, пробегаемых за секунду частицей с данной массой (или волной с данным импульсом).
Итак, можно сформулировать второй основной тезис:
2. Число е как основание функции комплексного переменного отражает два основных закона сохранения: энергии - через однородность времени, импульса - через однородность пространства.
И все-таки, почему именно число е, а не какое-то другое вошло в формулу Эйлера и оказалось в основании волновой функции? Оставаясь в рамках школьных курсов математики и физики, ответить на этот вопрос непросто. Эту проблему автор обсуждал с теоретиком, доктором физико-математических наук В. Д. Эфросом, и мы попытались пояснить ситуацию следующим образом.
Важнейший класс процессов - линейные и линеаризованные процессы - сохраняет свою линейность именно благодаря однородности пространства и времени. Математически линейный процесс описывается функцией, которая служит решением дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами (этот тип уравнений изучается на первом-втором курсах вузов и колледжей). А ее ядром служит приведенная выше формула Эйлера. Так что решение содержит комплексную функцию с основанием е, такую же, как уравнение волны. Причем именно е, а не другое число в основании степени! Потому что только функция е х не изменяется при любом числе дифференциро ваний и интегрирований. И следовательно, после подстановки в исходное уравнение только решение с основанием е даст тождество, как и надлежит правильному решению.
А теперь запишем решение дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами, описывающее распространение гармонической волны в среде с учетом неупругого взаимодействия с ней, приводящего к рассеянию энергии или же к приобретению энергии от внешних источников:
f(t) = e (α+ib)t = e αt (cos βt + isin βt).
Мы видим, что формула Эйлера умножается на действительную переменную величину e αt , которая есть амплитуда волны, изменяющаяся во времени. Выше мы полагали ее для простоты постоянной и равной 1. Так можно делать в случае незатухающих гармонических колебаний, при α = 0. В общем же случае любой волны поведение амплитуды зависит от знака коэффициента a при переменной t (времени): если α > 0, амплитуда колебаний возрастает, если α < 0, затухает по экспоненте.
Возможно, последний абзац труден для выпускников многих обычных школ. Он, однако, должен быть понятен студентам вузов и колледжей, которые основательно штудируют дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами.
А теперь положим β = 0, то есть уничтожим колебательный множитель с числом i в решении, содержащем формулу Эйлера. От бывших колебаний останется только затухающая (или нарастающая) по экспоненте "амплитуда".
Для иллюстрации обоих случаев представим себе маятник. В пустом пространстве он колеблется без затухания. В пространстве с сопротивляющейся средой колебания происходят с экспоненциальным затуханием амплитуды. Если же отклонить не слишком массивный маятник в достаточно вязкой среде, то он будет плавно двигаться к положению равновесия, все более замедляясь.
Итак, из тезиса 2 можно вывести такое следствие:
Следствие 1. При отсутствии мнимой, чисто колебательной части функции f(t), при β = 0 (то есть при нулевой частоте) действительная часть экспоненциальной функции описывает множество природных процессов, которые идут в соответствии с фундаментальным принципом: прирост величины пропорционален самой величине .
Сформулированный принцип математически выглядит так: ∆I ~ I∆t, где, допустим, I - сигнал, а ∆t - малый интервал времени, за который происходит прирост сигнала ∆I. Поделив обе части равенства на I и проинтегрировав, получим lnI ~ kt. Или: I ~ e kt - закон экспоненциального нарастания либо убывания сигнала (в зависимости от знака k). Таким образом, закон пропорцио нальности прироста величины самой величине приводит к натуральному логарифму и тем самым к числу е. (Причем здесь это показано в виде, доступном для школьников выпускного класса, знающих элементы интегрирования.)
По экспоненте с действительным аргументом, без колебаний, идет множество процессов в физике, химии, биологии, экологии, экономике и т. д. Особо отметим универсальный психофизический закон Вебера - Фехнера (почему-то игнорируемый в образовательных программах школ и вузов). Он гласит: "Сила ощущения пропорциональна логарифму силы раздражения".
Этому закону подчиняются зрение, слух, обоняние, осязание, вкус, эмоции, память (естествен но, пока физиологические процессы не переходят скачком в патологические, когда рецепторы подверглись видоизменению или разрушению). Согласно закону: 1) малому приросту сигнала раздражения в любом его интервале отвечает линейный прирост (с плюсом или минусом) силы ощущения; 2) в области слабых сигналов раздражения прирост силы ощущения гораздо круче, чем в области сильных сигналов. Возьмем для примера чай: стакан чая с двумя кусками сахара воспринимается раза в два более сладким, чем чай с одним куском сахара; но чай с 20 кусками сахара едва ли покажется заметно слаще, чем с 10 кусками. Динамический диапазон биологических рецепторов колоссален: принимаемые глазом сигналы могут различаться по силе в ~ 10 10 , а ухом - в ~ 10 12 раз. Живая природа приспособилась к таким диапазонам. Она защищается, логарифмируя (путем биологического ограничения) поступающие раздражите ли, иначе рецепторы погибли бы. На законе Вебера - Фехнера основана широко применяемая логарифмическая (децибельная) шкала силы звука, в согласии с которой работают регуляторы громкости аудиоаппаратуры: их смещение пропорционально воспринимаемой громкости, но не силе звука! (Ощущение пропорционально lg/ 0 . За порог слышимости принято р 0 = 10 -12 Дж/м 2 с. На пороге имеем lg1 = 0. Увеличение силы (давления) звука в 10 раз соответствует примерно ощущению шепота, которое выше порога на 1 бел по шкале логарифмов. Усиление звука в миллион раз от шепота до крика (до 10 -5 Дж/м 2 с) по логарифмической шкале есть увеличение на 6 порядков или на 6 Бел.)
Наверное, подобный принцип оптимально экономичен и при развитии многих организмов. Это можно наглядно наблюдать по образованию логарифмических спиралей в раковинах моллюсков, рядах семян в корзинке подсолнуха, чешуек в шишках. Расстояние от центра прирастает по закону r = ae kj . В каждый момент скорость прироста линейно пропорциональна самому этому расстоянию (что легко видеть, если взять производную от записанной функции). По логарифмической спирали выполняют профили вращающихся ножей и фрез.
Следствие 2. Наличие только мнимой части функции при α = 0, β 0 в решении дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами описывает множество линейных и линеаризованных процессов, в которых имеют место незатухающие гармонические колебания.
Это следствие возвращает нас к уже рассмотренной выше модели.
Следствие 3. При реализации следствия 2 происходит "смыкание" в единой формуле чисел и е посредством исторической формулы Эйлера в ее первоначальном виде е i = -1.
В таком виде Эйлер впервые опубликовал свою экспоненту с мнимым показателем степени. Нетрудно выразить ее через косинус и синус в левой части. Тогда геометрической моделью этой формулы будет движение по окружности с постоянной по абсолютному значению скоростью, которое есть сумма двух гармонических колебаний. По физической сущности в формуле и ее модели отражаются все три фундаментальных свойства пространства-времени - их однородность и изотропность, а тем самым все три закона сохранения.
Заключение
Положение о связи законов сохранения с однородностью времени и пространства, бесспорно, правильно для евклидова пространства в классической физике и для псевдоевклидова пространства Минковского в Общей теории относительности (ОТО, где четвертой координатой служит время). Но в рамках ОТО возникает естественный вопрос: а как обстоит дело в областях огромных гравитационных полей, вблизи сингулярностей, в частности, у черных дыр? Мнения физиков здесь расходятся: большинство считают, что указанные фундаментальные положения сохраняются и в этих экстремальных условиях. Однако есть и иные точки зрения авторитетных исследователей. И те и другие работают над созданием новой теории квантовой гравитации.
Чтобы в двух словах представить себе, какие здесь возникают проблемы, процитируем слова физика-теоретика академика А. А. Логунова: "Оно (пространство Минковского. - Авт .) отражает свойства, общие для всех форм материи. Это обеспечивает существование единых физических характеристик - энергии, импульса, момента количества движения, законов сохранения энергии, импульса. Но Эйнштейн утверждал, что такое возможно только при одном условии - в случае отсутствия гравитации <...>. Из этого утверждения Эйнштейна следовало, что пространство-время становится не псевдоевклидовым, а гораздо более сложным по своей геометрии - римановым. Последнее уже отнюдь не однородно. Оно меняется от точки к точке. Появляется свойство кривизны пространства. В нем исчезает и точная формулировка законов сохранения, как они были приняты в классической физике. <...> Если говорить строго, то в ОТО в принципе нельзя ввести законы сохранения энергии-импульса, их нельзя сформулировать" (см. "Наука и жизнь" №№ 2, 3, 1987 г.).
Фундаментальные константы нашего мира, о природе которых мы говорили, известны не только физикам, но и лирикам. Так, иррациональное число , равное 3,14159265358979323846.., вдохновило выдающегося польского поэта ХХ века, лауреата Нобелевской премии 1996 года Виславу Шимборскую на создание стихотворения "Число Пи", цитатой из которого мы закончим эти заметки:
Число, достойное восхищения:
Три запятая один четыре один.
Каждая цифра дает ощущение
начала - пять девять два,
ведь до конца не дойти никогда.
Взглядом всех цифр не объять -
шесть пять три пять.
Арифметических действий -
восемь девять -
уже не хватает, и трудно поверить -
семь девять -
что не отделаться - три два три
восемь -
ни уравнением, которого нет,
ни шутливым сравнением -
оных не счесть.
Двинемся дальше: четыре шесть...
(Перевод с польского - Б. Г.)
Рассмотрим функцию, областью определения которой является множество натуральных чисел: Такая функция называется функцией натурального аргумента или последовательностью. Значения этой функции называются членами последовательности.
Члены последовательности обычно располагаются в порядке возрастания аргумента:
Называется первым членом последовательности, вторым членом, называется или общим членом последовательности. Последовательность кратко обозначают Пример 1. Пусть Выпишем несколько первых членов последовательности:
Пример 2. Пусть Тогда
Пример 3. Пусть . Тогда
Введем теперь понятие предела последовательности.
Определение. Число b называется пределом последовательности если, каково бы ни было , найдется такое натуральное число N, что для всех членов последовательности, номер которых выполняется неравенство (или ).
Если число - предел последовательности, то это записывается так: или
Определение предела последовательности аналогично определению предела функции при Для функции условие выполнялось для всех действительных значений а для последовательности неравенство выпол гнется для всех натуральных чисел
Неравенство равносильно неравенствам
Поэтому, изображая члены последовательности точками плоскости с координатами приходим к следующему геометрическому смыслу предела последовательности: если последовательность имеет пределом число 6, то каково бы ни было найдется такое натуральное число N, что все точки, изображающие члены последовательности с номерами попадут в полосу, ограниченную прямыми (рис. 112).
Все теоремы о пределах функций, доказанные в этом параграфе, остаются справедливыми и для последовательностей.
Рассмотрим пример.
Пример 4. Найти предел последовательности
Решение. Здесь числитель и знаменатель одновременно стремятся к Для отыскания предела преобразуем выразив числитель по формуле суммы арифметической прогрессии:
Пример 5. Рассмотрим последовательность Члены последовательности попеременно принимают значения Эта последовательность, очевидно, не имеет предела.
Пример 6. Рассмотрим последовательность где Покажем, что
Решение. Рели , то при любом . Ясно, что в этом случае
Пусть теперь . Тогда , где . По формуле бинома Ньютона
Так как , то все слагаемые в последней сумме положительны. Отбрасывая все слагаемые, кроме первых двух, получим Отсюда заключаем, что так как при неограниченно растет, то также неограниченно растет, т. е.
Наконец, пусть . Тогда где . На основании выше изложенного поэтому стремится к нулю:
Последовательность называется возрастающей, если с увеличением ее члены увеличиваются, т. е.
Если с увеличением члены последовательности убывают, т. е.
то последовательность называется убывающей.
Последовательность примера 1 возрастающая, а примера 2 - убывающая. Последовательность примера 3 не является ни возрастающей, ни убывающей.
Последовательность называется ограниченной, если существует такое число С, что для всех натуральных чисел выполняется неравенство . Последовательность примера 1 не является ограниченной.
Рассмотрим возрастающую последовательность
Если эта последовательность не является ограниченной, то ее члены будут неограниченно возрастать и, следовательно, такая последовательность не имеет предела. Нели же возрастающая последовательность ограничена, то ее члены, возрастая и не превосходя числа С, должны, очевидно, неограниченно приближаться к некоторому числу (рис. 11.3). Не доказывая этого факта, ограничимся его точной формулировкой.
Теорема (достаточный признак существования предела последовательности). Всякая возрастающая ограниченная последовательность имеет предел
В качестве примера на применение этого признака рассмотрим последовательность, общий член которой Покажем, что эта последовательность возрастает и ограничена.
По формуле бинома Ньютона имеем, полагая (см. сноску на стр. 184):
Замечая, что
С увеличением дроби, уменьшаются, а разности увеличиваются. Поэтому с увеличением и т. д. члены разложения увеличиваются. Кроме того, с увеличением добавляются новые положительные слагаемые. Поэтому с увеличением возрастает. Итак, последовательность - возрастающая. Покажем, что ока ограничена.
Если в разложении для у каждого слагаемого отбросить в скобках дроби то каждое слагаемое увеличится, и мы получим сумму, большую первоначальной:
Сумму найдем формуле суммы членов геометрической прогрессии:.
Решение. Положим . При . Следовательно,
В заключение отметим, что часто приходится рассматривать показательную функцию с основанием
И , а также во многих других разделах .
Поскольку функция интегрируется и дифференцируется «в саму себя», логарифмы именно по основанию e принимаются как .
- - - - - - -
- -
e
- -
Система счисления
Оценка числа
10,101101111110000101010001011001…
2,7182818284590452353602874713527…
2,B7E151628AED2A6A…
2; 43 05 48 52 29 48 35 …
8 / 3 ; 11 / 4 ; 19 / 7 ; 87 / 32 ; 106 / 39 ; 193 / 71 ; 1264 / 465 ; 2721 / 1001 ; 23225 / 8544
(перечислено в порядке увеличения точности)
(Эта непрерывная дробь не . Записана в линейной нотации)
2,7182818284 5904523536 0287471352 6624977572 4709369995 9574966967 6277240766 3035354759 4571382178 5251664274 2746639193 2003059921 8174135966 2904357290 0334295260 5956307381 3232862794 3490763233 8298807531 9525101901 1573834187 9307021540 8914993488 4167509244 7614606680 8226480016 8477411853 7423454424 3710753907 7744992069 5517027618 3860626133 1384583000 7520449338 2656029760 6737113200 7093287091 2744374704 7230696977 2093101416 9283681902 5515108657 4637721112 5238978442 5056953696 7707854499 6996794686 4454905987 9316368892 3009879312 7736178215 4249992295 7635148220 8269895193 6680331825 2886939849 6465105820 9392398294 8879332036 2509443117 3012381970 6841614039 7019837679 3206832823 7646480429 5311802328 7825098194 5581530175 6717361332 0698112509 9618188159 3041690351 5988885193 4580727386 6738589422 8792284998 9208680582 5749279610 4841984443 6346324496 8487560233 6248270419 7862320900 2160990235 3043699418 4914631409 3431738143 6405462531 5209618369 0888707016 7683964243 7814059271 4563549061 3031072085 1038375051 0115747704 1718986106 8739696552 1267154688 9570350354
Первые 1000 знаков после запятой числа e
(последовательность в )
Способы определения
Число e может быть определено несколькими способами.
Через предел:
(второй ).
(формула Стирлинга).
Как :
или .
Как единственное число a , для которого выполняется
Как единственное положительное число a , для которого верно
Свойства
Доказательство иррациональности
Предположим, что рационально. Тогда , где - целое, а - натуральное.
Следовательно
Умножая обе части уравнения на , получаем
Переносим в левую часть:
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,
Суммируя геометрическую прогрессию в правой части, получаем:
Поскольку ,
Получаем противоречие.
предел
Для любого z верны следующие равенства:
Число e разлагается в бесконечную следующим образом:
То есть
Или эквивалентным ему:
Для быстрого вычисления большого числа знаков удобнее использовать другое разложение:
Представление через :
Через
Числа e равна 2 (что есть наименьшее возможное значение для иррациональных чисел).
История
Данное число иногда называют неперовым в честь шотландского учёного , автора работы «Описание удивительной таблицы логарифмов» (). Однако это название не совсем корректно, так как у него логарифм числа x был равен .
Впервые константа негласно присутствует в приложении к переводу на английский язык вышеупомянутой работы Непера, опубликованному в . Негласно, потому что там содержится только таблица натуральных логарифмов, определённых из кинематических соображений, сама же константа не присутствует.
Саму же константу впервые вычислил швейцарский математик в ходе решения задачи о предельной величине . 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 $1.00×1.5² = $2.25. Начисления процентов раз в квартал приводит к $1.00×1.25 4 = $2.44140625, и так далее. Бернулли показал, что если частоту начисления процентов бесконечно увеличивать, то процентный доход в случае имеет : и этот предел равен 2,71828…
$1.00×(1+1/12) 12 = $2.613035…
$1.00×(1+1/365) 365 = $2.714568…
Таким образом, константа e означает максимально возможную годовую прибыль при 100 % годовых и максимальной частоте .
Первое известное использование этой константы, где она обозначалась буквой b , встречается в письмах , - .
Букву e начал использовать Эйлер в , впервые она встречается в письме Эйлера немецкому математику от 25 ноября 1731 года, а первой публикацией с этой буквой была его работа «Механика, или Наука о движении, изложенная аналитически», . Соответственно, e обычно называют числом Эйлера . Хотя впоследствии некоторые учёные использовали букву c , буква e применялась чаще и в наши дни является стандартным обозначением.
Почему была выбрана именно буква e , точно неизвестно. Возможно, это связано с тем, что с неё начинается слово exponential («показательный», «экспоненциальный»). Другое предположение заключается в том, что буквы a , b , c и d уже довольно широко использовались в иных целях, и e была первой «свободной» буквой. Также примечательно, что буква e является первой в фамилии Эйлер (Euler).
Приближения
Число можно запомнить как 2, 7 и повторяющиеся 18, 28, 18, 28.
Мнемоническое правило: два и семь, далее два раза год рождения (), затем углы равнобедренного (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 .
Правила e связывается с президентом : 2 - столько раз избирался, 7 - он был седьмым президентом США, - год его избрания, повторяется дважды, поскольку Джексон дважды избирался. Затем - равнобедренный прямоугольный треугольник.
С точностью до трёх знаков после запятой через « »: нужно разделить 666 на число, составленное из цифр 6−4, 6−2, 6−1 (три шестёрки, из которых в обратном порядке удаляются три первые степени двойки): .
Запоминание e как (с точностью менее 0.001).
Грубое (с до 0,001) приближение полагает e равным . Совсем грубое (с точностью 0,01) приближение даётся выражением .
Обычный снос разрядов в числе. Когда записывается 4,47 · 10^8, подразумевается снос плавающей запятой на 8 разрядов вперёд - в данном случае это будет число 447 с 6 нулями впереди, т.е. 447.000.000 . В программировании могут использоваться E-значения, причём e нельзя писать само по себе , но E - можно (но не везде и не всегда, об этом будет отмечено ниже), т.к. предпоследнее может ошибочно принятым за число Эйлера . Если нужно записать огромное число сокращённо, может использоваться стиль 4,47·E8 (альтернативный вариант для производства и мелкошрифтной печати - 4,47×E8), чтобы число читалось более разгружено и разряды указывались более обособленно (между арифметическими знаками ставить пробелы нельзя - в противном случае, это математическое условие, а не число).
3,52E3 - это хорошо для записи без индексов, но читать разрядное смещение будет сложнее. 3,52 · 10^8 - условие, т.к. требует индекса и отсутствует мантисса (последнее существует только у оператора, а это - расширенный множитель). " · 10" - процесс стандартного (основного) операционного умножения, число после ^ - показатель сноса разрядов, поэтому его не нужно делать мелким, если необходимо писать документы в данной форме (соблюдая надстрочное положение), в некоторых случаях, желательно использовать масштаб в районе 100 - 120%, а не стандартные 58%. Используя мелкий масштаб для ключевых элементов условия, снижается визуальное качество цифровой информации - придётся всматриваться (может быть и не нужно, но факт остаётся фактом - «прятать» условия мелким шрифтом не нужно, можно было вообще «закопать» - сокращать масштаб отдельных элементов условия это неприемлемо, особенно на компьютере), чтобы заметить «сюрприз», а это очень вредно даже на бумажном ресурсе.
Если процесс умножения выполняет особые операции, то в таких случаях использование пробелов может быть избыточным, т.к. помимо умножения чисел, множитель может быть связывающим звеном для огромных и мелких чисел, химэлементов и т.д. и т.п., которые нельзя записать десятичной дробью обычных чисел или невозможно записать конечным результатом. Это может не касаться записи с " · 10^y", т.к. любое значение в выражении выполняет роль множителя, а "^y" - степень, указываемая надстрочным способом, т.е. является числовым условием. Но, убрав пробелы вокруг множителя и записав иначе - будет ошибкой, т.к. оператор отсутствует. Сам отрывок записи " · 10" - множитель-оператор + число, а не первый + второй оператор. Здесь и есть основная причина того, почему с 10-кой так нельзя. Если после числового оператора нет особых значений, т.е. нечисловых, но системных, то данный вариант записи не может быть оправдан - если есть системное значение, то такое значение должно подходить под определённые задачи с числовым или практическим сокращением чисел (для определённых действий, например, 1,35f8, где f - какое-либо уравнение, созданное для практических специальных задач, которое выводит действительные числа в результате конкретных практических опытов, 8 - значение, которое подставлено как переменное к оператору f и совпадает с числами при последовательном изменении условий наиболее удобным образом, если эта задача архиважная, то такие данные значения могут быть использованы со знаком без пробелов). Кратко, для подобных арифметических операций, но с другими целями, также можно проделывать с плюсами, минусами и делителями, если в этом есть крайняя необходимость для создания новых или упрощения существующих способов записи данных с сохранением точности на практике и может являться применимым числовым условием для определённых арифметических целей.
Итог: официально утверждённую форму экспоненциальной записи рекомендуется писать с пробелом и масштабом надстрочного шрифта в 58% и смещением в 33% (если изменение масштаба и смещения разрешается другими сторонами уровень в 100 - 120%, то можно установить 100% - это самый оптимальный вариант записи надстрочных значений, оптимальное смещение - ≈ 50%). На компьютере можно использовать 3,74e+2, 4,58E-1, 6,73·E-5, E-11, если последние два формата поддерживаются, на форумах лучше отказаться от e-сокращений по известным причинам, а стиль 3,65·E-5 или 5,67E4 может быть полностью понятным, исключения могут составлять лишь официальные сегменты общественности - там только с " · 10^x ", причём вместо ^x - используется только надстрочная запись степени .
Короче говоря, E является суперсокращением для десятичного антилогарифма, который часто помечают, как antilog либо antilg. Например, 7,947antilg-4 будет равен тому же, что и 7,947E-4. На практике это гораздо практичнее и удобнее, чем тягать «десятку» с надстрочным знаком степени лишний раз. Это можно назвать «экспоненциальным» логарифмическим видом числа как альтернативный вариант менее удобному «экспоненциальному» классическому. Только вместо «antilg», используется «E» либо сразу идёт второе число с пропуском (если число положительное) либо без него (на десятисегментных научных калькуляторах, типа "Citizen CT-207T").
Описывать е как «константу, приблизительно равную 2,71828…» - это все равно, что называть число пи «иррациональным числом, приблизительно равным 3,1415…». Несомненно, так и есть, но суть по-прежнему ускользает от нас.
Число пи - это соотношение длины окружности к диаметру, одинаковое для всех окружностей . Это фундаментальная пропорция, свойственная всем окружностям, а следовательно, она участвует в вычислении длины окружности, площади, объема и площади поверхности для кругов, сфер, цилиндров и т.д. Пи показывает, что все окружности связаны, не говоря уже о тригонометрических функциях, выводимых из окружностей (синус, косинус, тангенс).
Число е является базовым соотношением роста для всех непрерывно растущих процессов. Число е позволяет взять простой темп прироста (где разница видна только в конце года) и вычислить составляющие этого показателя, нормальный рост, при котором с каждой наносекундой (или даже быстрее) всё вырастает еще на немного.
Число е участвует как в системах с экспоненциальным, так и постоянным ростом: население, радиоактивный распад, подсчет процентов, и много-много других. Даже ступенчатые системы, которые не растут равномерно, можно аппроксимировать с помощью числа е.
Также, как любое число можно рассматривать в виде «масштабированной» версии 1 (базовой единицы), любую окружность можно рассматривать в виде «масштабированной» версии единичной окружности (с радиусом 1). И любой коэффициент роста может быть рассмотрен в виде «масштабированной» версии е («единичного» коэффициента роста).
Так что число е – это не случайное, взятое наугад число. Число е воплощает в себе идею, что все непрерывно растущие системы являются масштабированными версиями одного и того же показателя.
Понятие экспоненциального роста
Давайте начнем с рассмотрения базовой системы, которая удваивается за определенный период времени. Например:
- Бактерии делятся и «удваиваются» в количестве каждые 24 часа
- Мы получаем вдвое больше лапшинок, если разламываем их пополам
- Ваши деньги каждый год увеличиваются вдвое, если вы получаете 100% прибыли (везунчик!)
И выглядит это примерно так:
Деление на два или удваивание – это очень простая прогрессия. Конечно, мы можем утроить или учетверить, но удваивание более удобно для пояснения.
Математически, если у нас есть х разделений, мы получаем в 2^x раз больше добра, чем было вначале. Если сделано только 1 разбиение, получаем в 2^1 раза больше. Если разбиений 4, у нас получится 2^4=16 частей. Общая формула выглядит так:
рост = 2 x
Другими словами, удвоение – это 100% рост. Мы можем переписать эту формулу так:
рост = (1+100%) x
Это то же равенство, мы только разделили «2» на составные части, которыми в сущности и является это число: начальное значение (1) плюс 100%. Умно, да?
Конечно, мы можем подставить и любое другое число (50%, 25%, 200%) вместо 100% и получить формулу роста для этого нового коэффициента. Общая формула для х периодов временного ряда будет иметь вид:
рост = (1+прирост ) x
Это просто означает, что мы используем норму возврата, (1 + прирост), «х» раз подряд.
Приглядимся поближе
Наша формула предполагает, что прирост происходит дискретными шагами. Наши бактерии ждут, ждут, а потом бац!, и в последнюю минуту они удваиваются в количестве. Наша прибыль по процентам от депозита магическим образом появляется ровно через 1 год. На основе формулы, написанной выше, прибыль растет ступенчато. Зеленые точки появляются внезапно.
Но мир не всегда таков. Если мы увеличим картинку, мы увидим, что наши друзья-бактерии делятся постоянно:
Зеленый малый не возникает из ничего: он медленно вырастает из синего родителя. После 1 периода времени (24 часа в нашем случае), зеленый друг уже полностью созрел. Повзрослев, он стает полноценным синим членом стада и может создавать новые зеленые клеточки сам.
Эта информация как-то изменит наше уравнение?
Не-а. В случае с бактериями, полусформированные зеленые клетки все же не могут ничего делать, пока не вырастут и совсем не отделятся от своих синих родителей. Так что уравнение справедливо.
