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想要直观地理解自然常数e的意义,可以把它理解为“在进行连续复利时,一个瞬时增长率为100%的单位时间内的增长率”。那么,对于\(e^x=e^{rate\times time}\)表示的就是在进行连续复利时,time个瞬时增长率为rate的单位时间内的增长率。很容易的,还可以再进行推广,对于\(a^x\),情况又应该是怎么样呢?事实上,之前所说的“瞬时增长率为100%的单位时间”感觉有点太过于虚幻了,有什么更加明白的方式来描述吗?

我想应该不会有人忘记\(e^x\)的一个特殊性质,就是无论怎么求导,式子的整体都无需变化。也就是,在一个趋近于0的自变量变化量内,其瞬时变化率等同于原值,如果该变化率在一个单位时间内保持不变,那么一个单位时间后,值将变为原来的两倍。可是,也正因为瞬时变化率等同于原值,值应该以连续复利的方式增长,一个单位时间后,值变为了原来的e倍。对于更加一般的指数函数\(a^x\),根据链式法则,\(a^x = e^{\ln(a)x}\),一个单位时间后,值变为了原来的\(e^{\ln(a)}\)倍。增长得更加慢了,这是因为复利的机会变得更加稀疏了。对于\(a^x\),由于更加稀疏的复利,相对于\(e^x\),将使瞬时增长率降低为了原来的\(\ln(a)\)倍。

那么,\(a^x=e^{\ln(a)\times rate\times time}\)表示的就是在进行效率为连续复利\(\ln(a)\)倍的复利时,time个瞬时增长率为rate的单位时间内的增长率。

与此对应的,\(\ln(x)\)表示的是在进行连续复利时,增长到原值的x倍所需要的瞬时增长率为100%的单位时间,自然,我们也可以把上面所说的“瞬时增长率小于100%的单位时间”和“效率小于连续复利的复利”的概念引入到对数中,不过内涵是完全一致的,所以我这里也就不耗费这个功夫了。

不过,如果增长率是一个纯虚数,这代表着什么?首先是“增长”的含义将会被扩展。让我们在数轴上想象出代表当前的值的一个点。如果这个数轴在复平面内,你会不会觉得增长的含义被扩展了?对于一个纯虚数的增长率,在其还停留在最初位置的下一个瞬间,值应该垂直于实数轴上向上运动。连续的如此运动,使得该点不停旋转,最后形成一个圆。可以想见,如果复利并不是连续的,所形成的图形绝对不会是圆,只有e才能做到这样。至于为什么,我不会复变函数,证明不出来。如此,因为\(e^0 = 1\),形成的圆就像是一个单位圆。对于单位圆,当然可以想到有:\(e^{xi} = \cos{x} + i \cdot \sin(x)\)

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