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深度长文:自然常数 e 到底"自然"在哪?一个画不出来的数,凭什么跟 π 平起平坐?

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你大概不知道:你这辈子拿绳子、拿圆规、拿尺子,都没办法把 e 直接画出来。

但数学书里,e 跟 π 是同一级别的明星,名字前面还都带着"常数"两个字。



这事儿就很离谱。

π 你一眼就能看见,e 你看什么都不像。

先说说 π。



π 这玩意儿太好理解了。你拿一根绳子,绕一个圆整整一圈,再拿同一根绳子去量这个圆的直径,你会发现,不管这个圆是脸盆那么大,还是月亮那么大,周长永远是直径的三倍多一点点。

多出来的那一点点,就是 π,3.1415926……

你不用懂数学,拿根绳子比划一下,就明白了。

这就叫"看得见"。



那 e 呢?

e 约等于 2.71828,后面跟了一大串永不循环的小数。



你画个三角形?不是。

你画个正方形?不是。

你画个圆?量出来还是 π,不是 e。

你拿尺子去量任何一个常见的几何图形,量出来都不会是 2.718。

更气人的是,考试的时候老师还会跟你说:"e 是自然常数,记住它,它很重要。"

你心里肯定在骂:重要在哪?自然在哪?我怎么一点都看不出来它跟"大自然"有半毛钱关系?

别急。

其实你不是没看见过 e,你是见得太多了,已经见怪不怪了。

e 第一次露脸,是在银行的账本里。

我们来做一道特别傻的题。

假设你运气好到爆炸,银行给你开了一个年利率 100% 的账户。

你存进去 1 块钱。

一年之后,你连本带利能拿回多少钱?



这个傻子都知道,2 块。本金 1 块,利息 1 块,加一起 2 块。

好,现在银行发善心了,说:"我每半年给你结一次利息,你利息可以马上再存进去,利滚利。"

那这一年下来是多少?

半年的时候,你拿到了 5 毛利息,连本带利 1 块 5。 再过半年,这 1 块 5 又生了 7 毛 5 的利息。

年底你一共是 2 块 2 毛 5。



比刚才多了 2 毛 5。

你开心了。

那银行说:"要不我每 4 个月结一次?"

我们不算具体数字了,直接告诉你结果,年底大概是 2 块 3 毛 7。



又多了一毛多。

你更开心了,开始琢磨:那我让你天天结利息行不行?



行。一年 365 天,每天把利息塞回本金里去滚。

年底大概是多少?2.7146 元。

哎?怎么才多了这么点?

那再狠一点,每秒结一次。一年三千一百多万秒,每秒把利息打回本金。

年底是多少?

2.71828178……

看出来了吧?

这个数,就是 e。



你肯定在骂街。

我从一年结一次,费尽心机折腾到每秒结一次,从 2 块钱折腾到 2.718 块钱,这多出来的 7 毛多,还不够我买瓶水的。

银行要真这么玩,早破产了。

但你也别失望。

这个例子是为了让你一眼看懂 e,才把年利率拉到 100% 这种离谱数字。

现实中银行给你的那点利息,比如年化 3%,按这个"无限次利滚利"的公式,一年下来你 1 块钱会变成 e 的 0.03 次方,大概 1.03045 元。

看着跟一年定期没差多少对吧?但只要时间拉长,差别就出来了。

你存 10 年、20 年、50 年,e^rt 这个东西会像滚雪球一样,把差距越拉越大。

这就是为什么搞金融、搞经济、搞生物、搞核物理的人,公式里甩来甩去全是 e。

它不是一个摆设,它是"连续增长"这件事唯一正确的表达方式。

但是,重点来了。

不管你把结息频率提到多高,每小时一次、每分钟一次、每秒一次、甚至每微秒一次,你这 1 块钱滚来滚去,永远突破不了 2.71828 这个天花板。

这是一道无形的墙。

这面墙,就是 e。

也就是说:在 100% 年利率下,把复利的频率推到无穷大,你的钱能长到的极限,就是 e 块钱。

这就是 e 最原始、最朴素的长相。

你之前背的"e≈2.71828",不是哪个数学家拍脑袋凑出来的,是这个增长过程自己顶到头顶之后,露出来的那个数字。

π 是圆的周长和直径的比值。 e 是"增长"这件事,自己能长到的天花板。

顺便跟 π 做个类比,你会觉得更亲切。

我们都知道割圆术。一个正多边形,边数越多,它的周长就越接近圆。正六边形不行,正十二边形差一点,正九十六边形接近了,正几千边形几乎就是圆了。当边数推到无穷大,周长就稳稳地停在 π 倍直径上。

e 也是这个路数。

一年结一次息,等于多边形只有 1 条边。半年结一次,2 条边。天天结,365 条边。每秒结,三千多万条边。边数越多,越逼近那个圆,那个叫 e 的圆。



π 是多边形一路加边,最后贴出来的那个数。 e 是复利一路加密,最后顶出来的那个数。

一个从几何里冒出来,一个从账本里冒出来,长得完全不是一个路子,地位却一模一样。

看到这儿你可能说:那我懂了,e 就是复利的极限嘛,不就是银行那点事儿吗?

错。

历史上,e 根本不是被银行家先撞见的。

真正第一个把 e 用起来的人,是个被乘法算吐了的数学家。

时间拨回 17 世纪初。

那时候欧洲正在玩命搞大航海。



船一开到茫茫大海上,麻烦就来了:你怎么知道自己在哪?

纬度好办,看北极星仰角就行,几千年前人就会。

经度难。难到什么程度?

1707 年,英国四艘战舰在英吉利海峡遇上大雾,算错了经度,直接触礁,两千多名士兵淹死。

英国政府急了,1714 年悬赏 2 万英镑,搁现在大概是两千多万人民币,谁能精确测出船上的经度,奖金给谁。

在那之前的一百多年里,数学家和天文学家们已经找到了一个笨办法:看星星。

月亮、木星的卫星在天上走,位置是可以提前预测的。

你在船上用六分仪量一下今天这个月亮走到哪了,再回去翻一本厚厚的天文表,就能算出现在是格林尼治几点,跟你本地时间一减,经度就出来了。

这法子能用,但前提是:那本天文表得算得出来。

问题是,算这些天体轨道,全是大数字的乘法、除法、开平方、开立方。

那会儿没有计算器,所有数全靠人手算。

当时最牛的数学家,一辈子的工作日常就是:铺开纸,算大数字乘法,算到眼花。

顺带说一句,这个经度难题最后是怎么解决的?

不是数学家,也不是天文学家,是一个叫哈里森的英国木匠。

他花了一辈子,硬是造出了一台在颠簸的船上还能精准走时的机械钟。

你只要带着这块钟,出发时在格林尼治对好时间,到了海上,拿本地时间跟钟一比对,经度就出来了。

钟造出来那年,他已经 80 岁了。

但在哈里森之前的一百多年里,所有指望都压在天文学家和数学家身上。

为什么?

因为机械钟那时候根本扛不住海上的晃荡,走两天就废了。

所以天文学家只能靠看星星。看星星就得算轨道,算轨道就得算大数字乘法。

我们的主角,苏格兰人纳皮尔,就是这么被折磨疯的。



他自己吐槽过一句话,大意是:数学实践里最烦的,就是大数字的乘除和开方,算起来又费劲又伤脑,我得想个法子把这事儿给简化了。

他想了 20 年。

整整 20 年。

纳皮尔想出了一个特别鸡贼的办法。

他造了两张数列,一张是等差数列,一张是等比数列,把它们上下对齐排好。

比如:

上排:1,2,3,4,5,6,7,8,9,10……

下排:2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024……

注意下排,每一项都是前一项乘 2。

现在我要你算 16 乘以 64。

按老办法,16 乘 64,你得列竖式。

但用这张表:先去上排找 16 对应的位置,是 4;再找 64 对应的位置,是 6。

然后你把这俩数一加:4 + 6 = 10。

再回下排找上排 10 对应的数,是 1024。



所以 16 × 64 = 1024。

对不对?你自己算一下,没错。

看到了吧?

两个大数字的乘法,硬是被你用一个小学加法给解决了。

除法也一样。

1024 除以 128,上排对应的是 10 减 7 等于 3,下排对上排 3 的数是 8。所以 1024 ÷ 128 = 8。

这就是对数表。

纳皮尔花了 20 年,算出来一大本密密麻麻的数表。天文学家拿到这张表,原来要算几个小时的乘法,现在翻一翻、加一加,几分钟完事。

法国大数学家拉普拉斯后来讲过一句特别损但特别到位的话:对数的发明,等于把天文学家的寿命延长了一倍。

你想想那个场景:一帮五十多岁的老头,本来得天天熬夜算乘法,现在突然能准点下班回家抱孙子了,这张表等于给他们续了十年命。

后来这事又被人往前推了一步。

既然上下两排数是按对数关系排的,那我干脆把数刻在两把尺子上不就行了?算乘法的时候,把一把尺子滑到对应位置,另一把尺子直接读出答案。

这就是计算尺。



把直尺掰弯就成了柱状算尺,像了像风水大师的道具?



从 17 世纪一直用到 20 世纪 70 年代,整整三百多年。

你知道两弹一星那批老一辈科学家,当年在戈壁滩上算弹道、算核爆数据,手里拿的就是这玩意儿。没计算器,没电脑,一把计算尺走到哪算到哪。

你要是家里有个上了年纪的工程师,翻他旧箱子说不定还能翻出一把。

一根尺子,撑起来整个近代工程学。

故事到这儿,其实还没 e 什么事。

纳皮尔是 1614 年发表的对数表。

而"e"这个字母、以及 e≈2.71828 这层身份,要再过一百多年,才由欧拉给正式定下来。

也就是说:纳皮尔在造对数表的时候,他压根不知道自己手里正在用的那个数,就是后来大名鼎鼎的自然常数。

更离谱的还在后头。

对数的发明,居然比指数还早。

你没听错。

我们现在学数学,是先学指数:2 的 3 次方等于 8。然后再学对数:以 2 为底 8 的对数等于 3。

我们觉得这顺序天经地义,先有正运算,再有逆运算。

但历史不是这么走的。

纳皮尔 1614 年发明了对数。



笛卡尔 1637 年才发明指数这个写法。

一直到 1770 年,欧拉才站出来说:哎,你们有没有发现,对数其实就是指数的逆运算?

中间隔了一百多年。

为什么会这么离谱?

因为纳皮尔当年根本不是冲着"求指数逆运算"去的。他就是被大数字乘法逼急了,随手搞出了这么个能把乘法变加法的工具。

他和后来的笛卡尔、欧拉,谁都没意识到自己搞的东西跟别人是同一回事。

就好像你先发明了钥匙,过了一百年才有人发明锁。

你说荒不荒谬。

讲到这儿我得插一句。

我们前面一直在说利滚利、说复利,你心里可能默认利息这东西是银行家发明的。

不是。

利息比银行老了好几千年。

公元前 3000 多年,两河流域的苏美尔人,已经开始玩利息了。

他们那时候没有钱,借的是实物。

举个被后人编出来但很传神的小例子:

有个农民,看中了城里很抢手的羊奶,但自己没母羊,买不起。他去找一个牧羊人,想租一只母羊。

牧羊人不傻。母羊每年都能生羊羔,把母羊租给你,租金是有了,但羊羔那笔收益就没了。

农民就承诺:羊我只用奶,生下来的羊羔全归你。

牧羊人一想,这公平,就答应了。两人到神庙里,让神当见证,把合同用楔形文字刻在泥板上。

后来大家发现,这个逻辑可以推广到钱上。

钱这东西,借出去本来是可以用来买母羊的,买了母羊一年后能生羊羔。那我把钱借给你,你除了还本金,是不是也该把"本该生出来的羊羔"还给我?

这就是利息。

在苏美尔人的文字里,利息那个词,本意就是"牲畜的幼崽"。

跟咱们汉字里"财""货""账"这些字都带个"贝"字旁一个道理,因为几千年前海贝就是钱。

所以利息从出生那天起,逻辑就特别朴素:能生崽的东西,借出去就得连崽一起还。

但这个逻辑,到了古希腊哲学家那儿,挨了狠狠一骂。

柏拉图就主张过:借钱的人,只还本金就行了,利息别给。

他的学生亚里士多德,骂得更难听。他在《政治论》里说,在所有赚钱方法里,"钱生钱"是最不自然的。

原话翻译过来大概是:钱这东西本来就是用来交换的,你让它像牲口一样繁殖后代,这违背了钱的本性。

你看,他那个时代的天花板就在这儿。亚里士多德想不通:钱又不是母羊,怎么会生崽?在他看来这事儿荒诞、不自然。

要是他能看到今天的余额宝、基金、复利公式,估计能气活过来。

但反过来看,他那句"最不自然",恰恰帮我们理解了后面要说的事:古希腊人嘴里的"自然",到底是个什么门槛。

这事儿我们后面还会绕回来讲。

该欧拉登场了!

欧拉是历史上最高产的数学家之一,一辈子写的论文,后人整理了几十年都没整理完。



他干了一件特别关键的事:他把之前纳皮尔的对数、伯努利偷偷算过的那个复利极限、以及一堆散落在各处的数学线头,全捋到了一起。

他发现,所有这些看似不相干的地方,背后都藏着同一个数:2.71828……

他给这个数定了个记号,就叫 e。

至于为什么偏偏选 e 这个字母,说法很多。

有人说 e 是"指数 exponential"的首字母,有人说他是顺手从字母表里挑的,有人说他故意不选自己名字首字母(欧拉是 Euler,E)。

到底为啥,没人知道。

但这不重要。

重要的是:从欧拉开始,e 不再是散落在各个角落的匿名数字了,它有了正式身份,大家终于承认"原来这些事背后是同一个家伙在操盘"。

接下来要说的,是 e 真正让数学家们着迷的地方。

你先想一个生活里的画面。

一个西瓜,你一刀切下去,横截面是什么形状?圆的。

你再切一刀,再来一刀,不管你怎么切,实心球的横截面永远是圆的。

也就是说,你把一个三维的球,往二维降一次,出来的还是圆,跟 π 有关的那个圆。

你再从二维往一维切,切出来的还是跟圆有关的东西。

π 这个数,你甩是甩不掉的。

好,现在换 e。

数学里有一个函数,写成 e 的 x 次方,也就是 e^x。

它有一个让人头皮发麻的性质:你把这个函数求一次导数,结果还是它自己。求两次,还是它。求一百次,求一万次,它还是 e^x。

e^x在直角坐标系的样子



这是什么概念?

打个比方。

你切孙悟空,切下来一小块。你睁眼一看,哎,这一小块肉居然又是一整个孙悟空,而且跟原来那只一样大。你再切,切下来还是一只孙悟空。

不管你怎么切、降几次维,这玩意儿自己永远不变。

这就叫"自相似",也叫"全息性"。

你之前切那个西瓜,好歹切完是个圆,圆好歹是个新形状。

这个 e^x 倒好,切来切去就是它自己,一点不带变的。

数学界第一次知道这件事的时候,很多人是真的被惊到了。

你可能会说:这跟我有啥关系?我又不当数学家。

关系大了。

你想想,什么样的东西是"长多少,就按多少的速度长"的?

细菌繁殖。

一个培养皿里有多少细菌,它就按多少的速度往下分裂。

放射性衰变。

剩下多少放射性原子,它就按多少的速度往外衰。

你在银行里的钱。

你账上有多少钱,利息就按多少钱算。

疫情早期的传播。

感染多少人,就按多少人的速度继续传。

这些事,全都是"增长速度跟当前的量成正比"。

而这种事,数学上的标准答案,全都是 e^x。

为什么偏偏是 e^x?因为只有它求导还是自己。

别的函数,你求一次导就变形了,根本描述不了这种"长多少就按多少速度长"的过程。

我再给你换几个场景感受一下。

你手里有一块铀,它在那儿衰变。

每过一秒,衰变的速度跟现在还剩多少铀成正比,剩得多就衰变得快,剩得少就衰变得慢。

这个过程写出来,就是 e 的负 x 次方。

你家里有人感冒了。早期病毒在身体里复制,复制速度跟现存病毒数量成正比。

这个过程,还是 e^x。



你把一块烧红的铁扔到冷水里。铁降温的速度,跟它和水的温差成正比。温差大就降得快,温差小就降得慢。这事儿在数学上,照样是 e 的负 x 次方。

甚至一个国家人口早期增长、一笔钱利滚利、一个社交账号早期涨粉,只要是"增长速度跟当前规模成正比",全都是 e 家族的事。

你看明白没有?

e 不是被数学家按在书里的,它是从这些五花八门的真实过程里,一次又一次自己跑出来的。

所以你现在明白了吧:

为什么你听到的"自然增长""指数衰减""半衰期""复利",背后清一色是 e?

不是数学家故意装B选了个 2.718,是这种增长过程天生就长在 e 上。

换别的数,都不对。

前面一直说 e 画不出来。

但有一样东西,e 是真的能画出来的,而且画出来特别好看。

这就是对数螺线。

我们平时画函数,用的是直角坐标系,横一根竖一根,像象棋盘那样。

但数学家还有一种坐标系,叫极坐标。

你不用横纵坐标,只用两个数:一个是你离原点多远(半径),一个是你跟极轴转过的角度。

把 e 的 θ 次方(e^θ)在极坐标里画出来,你会得到下面这个形状:一只越绕越大的螺。



这只螺有一个特别离谱的性质:不管你把它放到多大,它跟射线相交的那个夹角,永远不变。

所以它还有个别名,叫等角螺线。

蓝线每次穿过射线时,其夹角是固定的,也就是等角



那这玩意儿在哪能看见?

人体曲线,也就是斐波那契螺线,网上摄影很流行,都被玩坏了



到处都是。



鹦鹉螺的横截面。

天上刮的台风云图。

星系旋臂。

向日葵的种子排列。

飞蛾扑火时,绕着灯泡一圈一圈栽下来的那条路径。

说到飞蛾扑火,这事儿其实特别委屈飞蛾。

飞蛾这玩意儿,几亿年都是靠月光和星光导航的。月光离地球太远,照到地上基本是平行光。飞蛾只要跟光线保持一个固定夹角飞,走出来就是一条直线。



自从人类发明了火,事情就变味了。

灯光离得近,光线是从灯泡往外放射的。



飞蛾还傻乎乎地按老办法,跟光线保持固定夹角飞。结果呢?它越飞越靠近灯泡,轨迹就成了一条螺旋线,最后"啪"一下撞火上了。

飞虫都在做螺线飞行



人类还管这个叫"昆虫的趋光性",听着好像飞蛾多么向往光明。

其实飞蛾心里在骂街:老子导航用了几亿年,让你们这些破灯泡给干扰了!

你看,这条把飞蛾送进火里的螺旋线,就是 e 画出来的。

讲到螺线,必须提一件事。

你一定在网上刷到过那种照片:一张鹦鹉螺的横截面,叠在一个金色的螺旋线上,配文"大自然的完美比例""上帝的几何学"。

那个螺旋,很多文章管它叫"黄金螺线",还跟斐波那契数列绑在一起吹。

斐波那契数列你肯定听过:1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89……前两个数加起来等于下一个。



有人拿这些数当正方形边长,一个挨一个拼起来,再在每个正方形里画个四分之一圆,连起来就是一条螺线。



然后网上就开始吹了:这就是黄金分割,这就是大自然最完美的比例,这就是人体曲线的秘密。

套用在美女照片上,传播效果还特别好。



但我得告诉你:

这条螺线,是假的。

真要按黄金分割比例 1.618 来画,画出来的螺线确实也是对数螺线,也跟 e 有关。但你用斐波那契数列拼出来的那条,只是无限逼近它,永远重合不上。



打个不恰当的比方:斐波那契螺线是个模仿者,穿着黄金螺线的衣服在街上走,远看挺像,凑近一看差着十万八千里。

鹦鹉螺的横截面也根本不是什么黄金螺线。它就是普通的对数螺线,跟黄金比例没多大关系。

可架不住这玩意儿上镜啊。

摄影师一拍,文案一配,流量就来了。

科学的真假没人在乎,传播效果是真的好。

讲到这儿,你肯定觉得:行了我懂了,e 叫"自然常数",是因为大自然里到处都是 e 画出来的螺线嘛。

这是错的。

真不是。

你回忆一下。

毕达哥拉斯当年觉得圆最美,是因为圆最对称。π 跟圆绑定,是因为圆本身就是这样。

但 e 跟螺线的关系,跟"大自然里有没有螺线"没关系。

哪怕地球上一只鹦鹉螺都没有、一个台风都不刮、连飞蛾都不存在,e 还是那个 e,2.71828 一个数字都不会变。

螺线只是 e 的一个表现形式,不是 e 被叫做"自然"的原因。

那它到底为啥叫"自然"?

这事儿得把时间往回倒两千五百年,回到古希腊。

很多人一看"自然常数",脑子里浮现的就是绿水青山、花鸟鱼虫。

错。

这个"自然",不是现在说的"大自然"。

它的本意是:自己如此、本来如此、不是人硬规定出来的。

我们回到公元前 624 年的古希腊。

在那之前,全世界的人解释世界都是一个套路:打雷了?雷神生气了。发洪水了?河神不高兴了。国王打了败仗?神要惩罚你。

万事万物背后都站着一个拟人化的神。

这思路特别好传播,因为故事性强,画面感足。就跟现在大家爱看狼人、吸血鬼、奇幻片是一个道理。

直到泰勒斯出现。



泰勒斯这人被后世吹得很厉害,什么"科学之父""哲学史上第一人"。

他真正牛的地方,不是他发现了多少具体规律,而是他第一次干了一件事:解释这个世界,不靠神,靠规律。

他当然也承认神可能存在,但他说:神是让万物按自己的规律运行的,你要理解这个世界,得靠观察、靠证据、靠推理,而不是靠编神话故事。

这一下就开了挂了。

在他之后,古希腊这帮人跟疯了一样:赫拉克利特、毕达哥拉斯、苏格拉底、柏拉图、亚里士多德、阿基米德、欧几里得……

一大批名字全冒出来了。

为啥?因为这套思维方法太好用了。你不用神,你用证据和推理,结论错了可以改,证据多了可以换新理论。它是能进化的。

而宗教那套东西是不能进化的,你只能解释经书,不能否定经书。

古希腊人后来给这种"自己如此、本然如此"的规律,起了个名字,就是后来我们翻译成"自然"的那个词。

顺便说一句,这套"自然 vs 人为"的思路,直到今天还在影响我们选单位。

举个例子。

英尺(foot),听名字就知道,最早就是拿人的脚长定的。问题是,人跟人的脚差很多啊。所以历史上英尺这个长度,变来变去改了好多次,英国改一版,美国改一版,乱得一塌糊涂。

这就叫"人为规定"。



那海里呢?海里是按地球本身的周长定的,把地球子午线切成 360 度,每度再切成 60 分,一分对应的弧长就是一海里。

这个数,只要地球还在,它就不变。

这就叫"自然规定"。

你看,同样是长度单位,一个靠人脚,一个靠地球本身。哪个稳、哪个靠谱,一目了然。

古希腊人当年想找的,就是后者。

按古希腊这个标准,什么样的数才算"自然"?

他们觉得,1、2、3 这种数是自然的。

为啥?因为你不用解释,三岁小孩都懂。三个苹果、两只羊,这是事物本身的属性,不需要谁来规定。

那 0 呢?负数呢?分数呢?无理数呢?

古希腊人觉得这些一点都不自然。

这些东西是为了算东西,人硬发明出来的。

最典型的就是毕达哥拉斯。

他老人家觉得"美就是数的和谐",结果他的门生希帕索斯发现了 √2 这个无理数,把整套和谐美的体系搅了个稀碎。

毕达哥拉斯一怒之下,据说把这个学生给淹死了。

这就是数学史上第一次"数学危机"。



所以你看,"自然"在古希腊人那儿,是有门槛的:必须是事物本就具备的、不需要人额外解释的属性,才配叫自然。

那 e 凭什么过这道门槛?

数学里,对数最常用的底有三个:10、2、e。

为什么是 10?

因为我们用十进制。为什么用十进制?因为你长了 10 根手指。

数数的时候掰手指,加减的时候掰手指,几千年下来,全人类习惯了 10 进制。科学计数法、阿伏伽德罗常数,全按 10 的倍数写。

所以以 10 为底的对数,叫"常用对数"。

"常用"这俩字,意思就是:这是迁就人使用习惯的。

那为什么是 2?

因为"翻倍"这事太简单了。一倍、两倍、四倍、八倍……我们平时说"翻一番""翻两番",说的都是 2 倍。存款例子里最容易讲清楚的,也是 2^x。

以 2 为底的对数在计算机里特别常用,因为计算机就是靠 0 和 1 过日子的。

但是,你仔细想想:

10 是因为你长了 10 根手指。 2 是因为人对"翻倍"这事最熟悉。

这两个数,都是迁就人的。

换一种智慧生物来,比如章鱼。章鱼有 8 条腕足,他们要是发展出数学,八成喜欢 8 进制,以 8 为底的对数就是他们的"常用对数"。

这叫自然吗?这哪叫自然,这叫"迁就"。

那 e 迁就谁?它谁也不迁就。

你回忆一下前面我们讲的那些事:

利滚利滚到极限,天花板是 e。

细菌分裂、放射性衰变、疫情传播,背后是 e^x。

求导多少次都不变的函数,是 e^x。

鹦鹉螺、台风、飞蛾扑火的螺线,是 e^θ。

这些事跟人长几根手指有关系吗?没有。

跟人喜欢"翻倍"这种简单概念有关系吗?也没有。

哪怕地球上从来没出现过人类,细菌照样那么分裂,铀照样那么衰变,台风照样那么转。

e 就在那儿。

它不因为你用十进制就变一点,也不因为你喜欢翻倍就凑成 2。

这才是古希腊人说的那个"自然":本就如此,不是人规定的。

π 也是这个待遇。

不管你拿什么量,圆的周长永远是直径的 π 倍。这跟人没关系,圆自己就是这样。

所以数学书里,π 和 e 才被并列放在一起,名字前面都带"常数"。



一个是几何里最本真的那个比值。

一个是增长里最本真的那个速度。

讲到这儿,还有一件事得说说。

数学家们喜欢 e,不只是因为它好用,还因为它好看。

你用 e 当底写对数,形式是最简洁的。

你换成别的底,比如 10 或者 2,公式里总要多出来一个换算系数,像衣服上多了个褶子,怎么看怎么别扭。

用 e 写,那个换算系数刚好等于 1,就没了。

数学家管这个叫"最简"。

而在数学家眼里,最简就是最美。

这种美不是你看一眼能感受的,得你真去推公式、真去算题,推到某个步骤突然发现"哎,怎么就消掉了",那一下才会起鸡皮疙瘩。

传说雅各布·伯努利一辈子研究这条等角螺线,研究到疯魔,要求死后墓碑上必须刻一条螺线,还要配一句拉丁文墓志铭:"纵使改变,依然故我。"

结果石匠给他刻错了,刻成了阿基米德螺线:那种越绕越大但不是等角的螺。

阿基米德螺线



伯努利九泉之下估计能把棺材板掀了。

如果你还没太领会到 e 有多受数学家欢迎,给你讲个真事。

2004 年 Google 上市。

创始人拉里·佩奇和谢尔盖·布林,定了一个融资额:2,718,281,828 美元。

你把这串数字前几位截出来看看:2.718281828……

这就是 e 的前几位。

为啥选这个数?

因为这俩人精通数学,知道 e 代表什么:增长本身的极限。



他们希望 Google 这家公司,能像 e^x 那样,指数级地长下去。

顺带说一句,Google 这个名字本身也是个数学梗。本来想叫 Googol(古戈尔),意思是 10 的 100 次方,一个大到没边的数。结果注册的时候拼错了,拼成了 Google,将错就错用到了今天。

你看,一帮搞数学的人,连公司名和上市融资金额都要埋彩蛋。

这就是 e 在这帮人心里的位置。

再说个细节。

Google 那次上市,公开募股的方式也很数学:他们没有按传统投行那种"询价定价",而是搞了个"荷兰式拍卖":所有人自己出价,最后按同一个能卖完的价格成交。

这种方式不搞人情、不看关系、完全按规则走。

你说这帮人骨子里是不是还在拿 e 那套东西当信仰:按事物本身的规律来,不掺人为的弯弯绕。

所以,e 到底自然在哪?

我们之前说过一句话,你可能忘了,我再给你拎出来:

e 不是被谁"发明"出来的,是被不同的人,在不同的地方,先后撞见的。



纳皮尔在算对数表的时候撞见一次。

伯努利在算复利极限的时候撞见一次。

欧拉在整理这些零散线头的时候撞见一次。

后来的数学家在求导、在画螺线、在描述细菌繁殖的时候,一次又一次撞见同一个数。

为什么这么多人在不同的事情上,都撞见同一个数?

因为这个数本来就在那儿。

它不因为你用十进制就变成 2.718 之外的数。 它不因为你不会数学就不存在。 它不因为地球上没有人类就消失。

它是"增长"这件事本身自带的节奏。

就像 π 是"圆"这件事本身自带的周长比值。

这就是古希腊人说的那个"自然":自己如此,本然如此,不为人的意志转移。

那为什么你从小到大,就是记不住 e?

说到这儿,我猜你心里还有个别扭。

π 你好歹能背到 3.14159,考试的时候还知道它是圆的周长除直径。

e 呢?你可能就记得个"2.718",至于它是干嘛的、为什么叫自然,考完试全还给老师了。

为啥?

因为 π 是几何,你有圆规有绳子,能比划。 e 是增长,你看不见摸不着,只能靠想象。

我们这帮人在现实里能直接看到的形状,全是圆的、方的、三角的,没见过哪个东西是按 e^x 长出来的。

银行不会每秒给你结息。 细菌你也看不见。 螺线是大自然的,但你不会天天盯着鹦鹉螺过日子。

所以 e 就成了一个"听说很重要、但跟我没关系"的数。

但这事儿其实不怪你。

数学里那些真正基础的常数,大部分都不是靠眼睛能看见的。黄金分割 1.618 也好,虚数单位 i 也好,普朗克常数也好,全是"先在公式里碰见,回头才发现它无处不在"的主儿。

你记不住 e,不是你的问题,是它出场的方式本来就不讨喜。

最后说句实在话

我知道,看到这儿你可能还是没把 e 记住。

这没关系。

你这辈子大概率用不到 e。你不会去银行算利滚利的极限,不会去推什么对数螺线,也不会去求导。

但你至少记住了一件事:

当你下次在课本上看到"自然常数"这四个字,别再把它理解成"花鸟鱼虫那个大自然"。

它说的是:这个数,是万物自己长出来的,不是谁规定的。

而数学这门学科,说到底,干的就是一件事:把那些"自己如此"的规律,一个一个找出来。

至于为什么世界背后会有这种规律?为什么是 e 而不是别的数?为什么是 π 而不是别的比值?

不知道。

真不知道。

科学家现在的状态是:知道它在那儿,知道它好用,知道它美,但为什么存在,没人能回答。

这事儿跟"光速为什么不变"是一个路数:我们是先发现了这个现象,反复验证它,然后拿它当公设用。

至于它为什么是这样,目前没有答案。

那这算科普完了吗?

我觉得算。

因为科普本来就不是把每个问题都解决,而是让你知道:哪些事我们搞懂了,哪些事我们还在摸黑。

知道自己站在哪,比瞎信一个答案强。

最后再塞个小彩蛋。

数学圈里有个被传为"最美公式"的东西,叫欧拉公式:



e 的 iπ 次方,加 1,等于 0。

你不用管 i 是什么(虚数单位,你们高中会学),也不用管"e 的虚数次方"是什么鬼意思。

你就看这个式子里头都有谁:

e,π,i,1,0。

数学里最基础的五个常数,被一个等号、一个加号、一个指数,全串在一行里了。

没有任何多余的东西。

物理学家费曼当年看到这个公式,兴奋得不行,说这是数学里最神奇的公式。

你想啊:

e 是从账本里长出来的。 π 是从圆里量出来的。 i 是为了让负数也能开平方硬造出来的。 1 和 0 是数数数出来的。

五个来路完全不一样的数,最后居然严丝合缝地凑在一个等式里,谁也不尴尬。

这事儿没人能解释为什么。

但每次数学家看到它,还是会愣一下。

你说这五个数,一个从账本里来,一个从圆里来,一个是为了凑齐全数系统硬加上去的,两个是数数数出来的。

它们凭什么在这儿见面?没人知道。

就跟没人知道光速为什么不变、没人知道引力为什么是这样一样。

科学能做的,就是把这些"碰巧凑在一起"的式子,一个一个记下来,然后接着用。

用着用着,你就会发现:这个世界底层的那套东西,简单得离谱,又精密得离谱。

至于再往下挖,为什么宇宙里会有 e、会有 π、会有这种"自己如此"的规律?

这就扯到宇宙的终极秩序了。

没人知道,或许永远不会有人知道!

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