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e — —一个最具物理意义的“自然”常数!

2016-10-21 23:45阅读:

e —— 一个最具物理意义的“自然”常数!



自然对数


以常数e为底数的对数叫做自然对数,记作lnN(N>0)。自然对数在物理学,生物学等自然科学中有重要的意义
数学表示方法
自然对数的一般表示方法为lnx。数学中也常见以logx表示自然对数。若为了避免与基为10的常用对数lgx混淆,可用“全写”㏒ex。[1]

概念

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它的含义是单位时间内,持续的翻倍增长所能达到的极限


有关概念


e <wbr>— <wbr>—一个最具物理意义的“自然”常数!

对数的生物学意义

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在连锁交换定律中,重组率或重组值是指双杂合体测交产生的重组型配子的比例,即重组率=重组配子数/总配子数(亲组合+重组和)×100%,重组是交换的结果,所以重组率(recombination fraction)通常也称作交换率(crossing over percentage)或交换值。可是仔细推敲起来,这两个数值是不尽相同。
如果我们假定,沿染色体纵长的各点上交换的发生大体上是随机确定的。那么可以这样认为,如果两个基因座相距很近,由交换而分开较少,重组率就低;如果两基因座离开很远,交换发生的次数较多,重组率就高。所以可以根据重组率的大小计算有关基因间的相对距离,把基因顺序地排列在染色体上,绘制出基因图。生物学家就是这样做的。
如果有关的两个基因座在染色体上分开较远,举例说重组率在12%-15%以上,那么进行杂交试验时,其间可能发生双交换或四交换等更高数目的偶数交换,形成的配子却仍然是非重组型的。这时如简单地把重组率看作数交换率,那么交换率就要被低估了。因为遗传图是以1%交换率作为图距单位的,所以如交换率低估了,图距自然也随之缩小了,这就需要校正。校正的公式较多,可根据自己得出的连锁与交换试验的结果,提出单是适用于某一生物的校正公式。一般来说,一个合适的校正公式应该满足下列两个条件:①最大的重组率不超过0.5或50%,因为这数值说明两个基因之间遵循自由组合定律;②较小的重组率应该大致上是加性的。常用的的较简单的公式是Haldane推导的作图函数R=[1-e^(-2x)]/2,式中R代表重组率,x代表交换率。这公式表示重组率与图距的关系,而图距的单位是1%交换率。
说明一下Haldane曲线的几点性质:①曲线的起始一小段基本上是直线,斜率接近于1,重组率可以直接看作是图距,所以重组率是加性的。②在曲线的曲度较大的区域,重组率就不是加性的了。当图距比较大,两端的基因的重组率就要小于相邻两个重组率之和,即Rab+Rbc>Rac,例如abc是三个连锁基因,两两间的重组率R值是非加性的,0.23+0.32>0.40。吧Haldane公式加以改写:x=-ln(1-2R)/2,把上面R值代入公式,求得x值如下:在0.31+0.51,稍大于0.81,x值大致上成为加性的了。③标记基因间的图距很大时,重组率与图距无关,接近或等于1/2。
所以重组率大致代表交换率,但当重组率逐渐增大时,重组率往往小于交换率,需要加以校正。在实际应用时,要看研究的生物而定。像黑腹果蝇那样,各染色体上定位的基因已经很多,标记的区域已划分得很细,就无需用作图函数来校正了。但对一种新的生物开始进行连锁研究,可供利用的标记基因很少,这是最好用作图函数来加以校正,以得到更接近实际的图距。

历史

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约翰·纳皮尔在1614年以及Jost Bürgi(英语:Jost Bürgi)在6年后,分别发表了独立编制的对数表,当时通过对接近1的底数的大量乘运算,来找到指定范围和精度的对数和所对应的真数,当时还没出现有理数幂的概念,1742年William Jones(英语:William Jones (mathematician))才发表了幂指数概念。按后来人的观点,Jost Bürgi的底数1.0001相当接近自然对数的底数e,而约翰·纳皮尔的底数0.99999999相当接近1/e。实际上不需要做开高次方这种艰难运算,约翰·纳皮尔用了20年时间进行相当于数百万次乘法的计算,Henry Briggs(英语:Henry Briggs (mathematician))建议纳皮尔改用10为底数未果,他用自己的方法于1624年部份完成了常用对数表的编制。
形如f(x) = x的曲线都有一个代数反导数,除了特殊情况p = −1对应于双曲线的弓形面积(英语:Quadrature (mathematics)),即双曲线扇形;其他情况都由1635年发表的卡瓦列里弓形面积公式(英语:Cavalieri's quadrature formula)给出,其中抛物线的弓形面积由公元前3世纪的阿基米德完成(抛物线的弓形面积(英语:The Quadrature of the Parabola)),双曲线的弓形面积需要发明一个新函数。1647年Grégoire de Saint-Vincent(英语:Grégoire de Saint-Vincent)将对数联系于双曲线xy=1的弓形面积,他发现x轴上[a,b]两点对应的双曲线线段与原点围成的双曲线扇形同[c,d]对应的扇形,在a/b=c/d时面积相同,这指出了双曲线从x = 1到x = t的积分f(t)满足:
1649年,Alphonse Antonio de Sarasa(英语:Alphonse Antonio de Sarasa)将双曲线下的面积解释为对数。大约1665年,伊萨克·牛顿推广了二项式定理,他将1/(1+x)展开并逐项积分,得到了自然对数的无穷级数。“自然对数”最早描述见于尼古拉斯·麦卡托在1668年出版的著作《Logarithmotechnia》中,他也独立发现了同样的级数,即自然对数的麦卡托级数。大约1730年,欧拉定义互为逆函数的指数函数和自然对数为:
e在科学技术中用得非常多,一般不使用以10为底数的对数。以e为底数,许多式子都能得到简化,用它是最“自然”的,所以叫“自然对数”。
我们可以从自然对数最早是怎么来的来说明其有多“自然”。以前人们做乘法就用乘法,很麻烦,发明了对数这个工具后,乘法可以化成加法,即:log(ab) = loga + logb。
但是能够这么做的前提是,我要有一张对数表,能够知道loga和logb是多少,然后求和,能够知道log多少等于这个和。虽然编对数表很麻烦,但是编好了就是一劳永逸的事情,因此有个大数学家开始编对数表。但他遇到了一个麻烦,就是这个对数表取多少作为底数最合适?10吗?或是2?为了决定这个底数,他做了如下考虑:
1.所有乘数/被乘数都可以化到0-1之内的数乘以一个10的几次方,这个用科学记数法就行了。
2.那么只考虑做一个0-1之间的数的对数表了,那么我们自然用一个0-1之间的数做底数(如果用大于1的数做底数,那么取完对数就是负数,不好看)。
3.这个0-1间的底数不能太小,比如0.1就太小了,这会导致很多数的对数都是零点几;而且“相差很大的两个数的对数值却相差很小”,比如0.1做底数时,两个数相差10倍时,对数值才相差1。换句话说,像0.5和0.55这种相差不大的数,如果用0.1做底数,那么必须把对数表做到精确到小数点以后很多位才能看出他们对数的差别。
4.为了避免这种缺点,底数一定要接近于1,比如0.99就很好,0.9999就更好了。总的来说就是1 - 1/X ,X越大越好。在选了一个足够大的X(X越大,对数表越精确,但是算出这个对数表就越复杂)后,你就可以算
(1-1/X)1 = P1 ,
(1-1/X)2 = P2 ,
……
那么对数表上就可以写上P1的对数值是1,P2的对数值是2……(以1-1/X作为底数)。而且如果X很大,那么P1,P2,P3……间都靠得很紧,基本可以满足均匀地覆盖了0.1-1之间的区间
5.最后他再调整了一下,用(1- 1/X)X作为底,这样P1的对数值就是1/X,P2的对数值就是2/ X,……PX的对数值就是1,这样不至于让一些对数值变得太大,比如若X=10000,有些数的对数值就要到几万,这样调整之后,各个数的对数值基本在0-1之间。两个值之间最小的差为1/X。
6.让对数表更精确,那么X就要更大,数学家算了很多次,1000,1万,十万,最后他发现,X变大时,这个底数(1 - 1/X)X趋近于一个值。这个值就是1/e,自然对数底的倒数(虽然那个时候还没有给它取名字)。其实如果我们第一步不是把所有值放缩到0.1-1之间,而是放缩到1-10之间,那么同样的讨论,最后的出来的结果就是e了--- 这个大数学家就是著名的欧拉(Euler),自然对数的名字e也就来源于欧拉的姓名。
当然后来数学家对这个数做了无数研究,发现其各种神奇之处,出现在对数表中并非偶然,而是相当自然或必然的。因此就叫它自然对数底了。

自然律

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螺线


涡形或螺线型是自然事物极为普遍的存在形式,比如:一缕袅袅升上蓝天的炊烟,一朵碧湖中轻轻荡开的涟漪,数只缓缓攀援在篱笆上的蜗牛和无数在恬静的夜空携拥着旋舞的繁星……螺线表达自然律。螺线特别是对数螺线的美学意义可以用指数的形式来表达:ρ=αe^(φk),其中,α和k为常数,φ是极角,ρ是极径,e是自然对数的底。为了讨论方便,我们把e或由e经过一定变换和复合的形式定义为“自然律”。因此,“自然律”的核心是e,其值为2.71828……,是一个无限不循环数。

自然律之美


“自然律”是e及由e经过一定变换和复合的形式。e是“自然律”的精髓,在数学上它是函数:(1+1/x)x
当X趋近无穷时的极限。人们在研究一些实际问题,如物体的冷却、细胞的繁殖、放射性元素的衰变时,都要研究(1+1/x)x,当X趋近无穷时的极限。正是这种从无限变化中获得的有限,从两个相反方向发展(当X趋向正无穷大的时,上式的极限等于e=2.71828……,当X趋向负无穷大时候,上式的结果也等于e=2.71828……)得来的共同形式,充分体现了宇宙的形成、发展及衰亡的最本质的东西。

渊源及发展


1.宇宙与生命
现代宇宙学表明,宇宙起源于“大爆炸”,熵定律,即热力学第二定律相吻合。熵定律指出,物质的演化总是朝着消灭信息、瓦解秩序的方向,逐渐由复杂到简单、由高级到低级不断退化的过程。退化的极限就是无序的平衡,即熵最大的状态,一种无为的死寂状态。这过程看起来像什么?只要我们看看天体照相中的旋涡星系的照片即不难理解。如果我们一定要找到亚里士多德所说的那种动力因,那么,可以把宇宙看成是由各个预先上紧的发条组织,或者干脆把整个宇宙看成是一个巨大的发条,历史不过是这种发条不断争取自由而放出能量的过程。
生命体的进化却与之有相反的特点,它与热力学第二定律描述的熵趋于极大不同,它使生命物质能避免趋向与环境衰退。任何生命都是耗散结构系统,它之所以能免于趋近最大的熵的死亡状态,就是因为生命体能通过吃、喝、呼吸等新陈代谢的过程从环境中不断吸取负熵。新陈代谢中本质的东西,乃是使有机体成功的消除了当它自身活着的时候不得不产生的全部熵。
2.自然律的价值
“自然律”一方面体现了自然系统朝着一片混乱方向不断瓦解的崩溃过程(如元素的衰变),另一方面又显示了生命系统只有通过一种有序化过程才能维持自身稳定和促进自身的发展(如细胞繁殖)的本质。正是具有这种把有序和无序、生机与死寂寓于同一形式的特点,“自然律”才在美学上有重要价值。
如果荒僻不毛、浩瀚无际的大漠是“自然律”无序死寂的熵增状态,那么广阔无垠、生机盎然的草原是“自然律”有序而欣欣向荣的动态稳定结构。因此,大漠使人感到肃穆、苍茫,令人沉思,让人回想起生命历程的种种困顿和坎坷;而草原则使人兴奋、雀跃,让人感到生命的欢乐和幸福。
3.自然律的表达
e=2.71828……是“自然律”的一种量的表达。“自然律”的形象表达是螺线。螺线的数学表达式通常有下面五种:(1)

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