Cao Yi

自然常数$e$ Natural Constant

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自然常数来源于复利问题,假如本金为$a$, 年利率为$r$, 则一年后连本带利

\[amount = a(1+r)\]

假如存款人和银行修改约定为一年结算2次,即半年结算一次,利息也减半为$\dfrac{r}{2}$,则一年后连本带利

\[amount = a(1+\dfrac{r}{2})^2\]

更进一步,假如存款人和银行修改约定为一年结算$n$次,即$\dfrac{1}{n}$年结算一次,利息也减少为$\dfrac{r}{n}$,则一年后连本带利

\[amount = a(1+\dfrac{r}{n})^n\]

是不是$n$越大,最后得到的金额$amount$也越大呢?我们可以通过求$amount$的极限来验证

\[amount = \lim_{n\to\infty} a(1+\dfrac{r}{n})^n = a\lim_{n\to\infty} (1+\dfrac{1}{\dfrac{n}{r}})^{\tfrac{n}{r}r} = a[\lim_{\tfrac{n}{r}\to\infty} (1+\dfrac{1}{\dfrac{n}{r}})^{\tfrac{n}{r}}]^r = a[\lim_{n\to\infty} (1+\dfrac{1}{n})^{n}]^r\]

上式中$a$和$r$都是常数,我们只要计算$(1+\dfrac{1}{n})^{n}$的极限值就行:

\[\lim_{n\to\infty} (1+\dfrac{1}{n})^{n}\]

参下表,当$n$值在不断增加时,$(1+\dfrac{1}{n})^n$越来越稳定,趋近于$2.7182820\ldots$,这就是我们要得到的极限值,一般用$e$来表示,近似于2.718

$n$ $(1+\dfrac{1}{n})^n$
1 2
10 2.59374246
100 2.704813829
1000 2.716923932
10000 2.718145927
100000 2.718268237
1000000 2.718280469
10000000 2.718281694
100000000 2.718281798
1000000000 2.718282052
10000000000 2.718282053

所以,回到前面提到的问题,假如本金为$a$, 年利率为$r$,则一年后连本带利最多可以得到的金额是

\[amount = a \cdot e^r\]