几年后的 1624 年,e 又一次差点就进入了数学文献,结果还是差了点。那一年,布里格斯(Briggs)算出了 e 的常用对数(以 10 为底)的数值近似值,却没在著作中提及 e 本身。
等轴双曲线与对数:e 的“隐形关联”
下一次 e 可能出现的记载,同样存在争议。1647 年,圣文森特(Saint-Vincent)计算了等轴双曲线(rectangular hyperbola)下方的面积。但他有没有意识到这和对数的关联,至今还没有定论。就算他意识到了,也没什么理由让他明确接触到 e 这个数。
不过到了 1661 年,惠更斯(Huygens)确实理解了等轴双曲线和对数的关系。他专门研究了等轴双曲线 下方的面积与对数之间的联系。当然,e 有个关键性质:从 1 到 e 的等轴双曲线下方的面积等于 1。正是这个性质,让 e 成了自然对数的底数。但当时的数学家还没理解这一点,只是在慢慢接近这个认知。
同年,惠更斯还取得了另一个进展。他定义了一条曲线,自己称之为“对数曲线”,但按我们现在的说法,那其实是一条指数曲线(exponential curve),形式是 。从这个研究里,他又算出了 e 的常用对数,而且精确到了 17 位小数。不过,这个数值在他的著作里只是作为一个常数出现,没人把它当成某个数的对数——所以 e 这次还是离被认出来差一步。
对数研究的推进:e 仍“隐身”
之后关于对数的研究还在继续,这些工作虽然推动了对数的发展,却还是没让 e 以“e”的身份正式登场。1668 年,尼古拉斯·墨卡托(Nicolaus Mercator)出版了《对数术》(Logarithmotechnia),书中给出了 的级数展开式。也是在这本书里,墨卡托第一次把以 e 为底的对数称为“自然对数”(natural logarithms)。但 e 本身还是没露面,依旧“藏在角落”里。
e 的首次“发现”:从复利问题中来
有意思的是,既然之前关于对数的研究已经离认出 e 那么近了,e 第一次被“发现”时,却和对数毫无关系——而是来自对复利问题的研究。
1683 年,雅各布·伯努利(Jacob Bernoulli)研究复利问题时,想算出“连续复利”情况下, 这个极限的值。他用二项式定理证明,这个极限在 2 到 3 之间。所以,我们可以把这看作是 e 的第一个近似值。而且如果把这个极限当作 e 的定义,那这也是数学史上第一次用极限过程来定义一个数。只不过伯努利当时完全没意识到,自己的研究和之前的对数研究有任何关联。
对数与指数的关联:谁先看清?
前面我们提到过,早期研究对数的人,没觉得对数和指数有什么关系。现在我们知道,从方程 能推出 (这里的对数以 a 为底),但这种思路也是后来才有的。其实这里的核心是“把对数当作一种函数”,而早期研究者只把对数看作“辅助计算的数字”。
看到这里,你可能会问:那为什么不直接从 e 第一次露面开始写它的历史呢?其实原因很简单:虽然我们前面说的那些研究都没明确认出 e,但一旦 e 被确定,人们就慢慢发现,那些早期研究其实都和 e 有关。站在后来的角度看,早期对数的发展,也成了理解 e 的重要部分。
指数函数的微积分:约翰·伯努利的突破
之前我们提到,早期研究者没把对数当作函数,这也给相关研究带来了一些阻碍。不过在 1697 年,约翰·伯努利(Johann Bernoulli)出版了《指数微积分原理》(Principia calculi exponentialium seu percurrentium),算是开启了指数函数的微积分研究。这本书里计算了各种指数级数,还通过逐项积分得到了不少成果。
e 的符号:欧拉的选择
数学里很多符号都是欧拉(Euler)定下来的,所以 e 这个符号是他首创的,也没什么好意外的。不过有时候会有人说,欧拉用“e”是因为这是他名字(Euler)的首字母,这就有点牵强了。其实 e 可能都不是来自“指数(exponential)”的首字母,更可能是因为“e”是“a”之后的下一个元音——欧拉在工作中已经用“a”表示其他量了,所以就选了“e”。
不管原因是什么,e 这个符号第一次出现,是在 1731 年欧拉写给哥德巴赫(Goldbach)的一封信里。接下来几年,他又发现了很多关于 e 的性质,但直到 1748 年出版《无穷分析引论》(Introductio in Analysin infinitorum),才全面阐述了与 e 相关的理论。