三次方根：從一至八百萬 第13章 lg與ln的曆史故事上半場之lg的曆史故事

一、對數的起源

1.1約翰·納皮爾提出對數的動機16、17世紀之交，天文學、航海、工程等領域蓬勃發展，複雜計算需求激增。約翰·納皮爾作為蘇格蘭數學家，在研究天文學的過程中，深感大數乘除、開方等運算的繁瑣，這不僅耗時耗力，還極易出錯，嚴重阻礙了科學研究的進展。他意識到必須找到一種簡化計算的方法，於是開始潛心鑽研。經過長期思考與探索，納皮爾最終發明瞭對數，為科學計算帶來了革命性的改變，也讓天文學界為之狂喜，對數的發明也因此成為17世紀數學的三大成就之一。

1.2納皮爾發明對數的過程納皮爾構造對數表的過程充滿智慧。他以幾何和連續運動為基礎，用一條射線表示等差數列，點A以恒定速度運動；用一條線段表示等比數列，點B從起點出發，速度按幾何級數下降。他設定線段長度為107，點B在初始位置B0的速度為107，且速度降低比率為實數r（0＜r＜1）。當點A運動到某位置時，點B在線段上的位置與點A運動的距離就構成了對應關係，納皮爾將這種對應關係定義為對數。通過這種方式，他將乘法轉化為加法，除法轉化為減法，極大地簡化了計算，為對數表的製作奠定了基礎，其工作量之巨大令人驚歎。

二、對數的早期應用

2.1天文學中的應用在天文學領域，對數極大地簡化了計算。原本天文學家需要處理大量天文數字，進行複雜的乘除、開方運算，如計算天體距離、星體運行軌跡等。有了對數，這些繁瑣運算變為簡單的加法和減法。眾多天文學家紛紛利用對數表，如英國天文學家亨利·布裡格斯，他專程拜訪納皮爾，對對數的實用價值讚歎不已。在布裡格斯的建議下，納皮爾對數表得到改進，更便於使用。此後，對數表成為天文學家的重要工具，為天文學的發展提供了有力支援，讓天文學家能更專注於天體現象的研究。

2.2航海中的應用航海事業的發展離不開精確的導航與測量，對數在其中起到了關鍵作用。在茫茫大海上，航船需要確定位置和航線，對數簡化了航海中所需的複雜計算，如測量經緯度、推算航程等。鄉村木匠約翰·哈裡森雖未受教育，但他利用對數的原理，自學製表技術，解決了困擾人類數千年的航海定位難題。航海家們藉助對數，能更準確地確定船位，避免觸礁等危險，確保航船安全航行，對數成為航海事業中不可或缺的重要工具，為大航海時代的繁榮奠定了基礎。

三、對數在數學中的發展

3.1從常用對數到自然對數的演變約翰·納皮爾發明對數後，布裡格斯等數學家在此基礎上發展出以10為底的常用對數，它因計算方便，在生活中應用廣泛。但隨著數學研究深入，人們發現以自然常數e為底的對數更具優勢。雅各布·伯努利在研究連續複利時，首次接觸到e的概念。歐拉後來將e與對數緊密聯絡，正式提出自然對數ln。自然對數的底數e是一個無理數，約等於2.，它在數學分析中有著獨特性質，為後續微積分等學科的發展奠定了基礎。

3.2自然常數e的發現自然常數e的發現與眾多數學家緊密相連。雅各布·伯努利在研究複合利息問題時，首次發現當計息週期無限縮短時，本利和的極限值是一個特定常數，即e。萊布尼茨在與伯努利的通訊中也對e進行了研究。歐拉則進一步將e與對數函數聯絡起來，使e成為自然對數的底數。e在數學分析中至關重要，它是導數等於自身的函數ex的底數，在微積分、級數等眾多領域都有廣泛應用，是數學大廈中不可或缺的基石。

四、數學家的貢獻

4.1雅各布·伯努利的貢獻雅各布·伯努利作為伯努利家族的傑出代表，在數學領域成就斐然。他不僅是概率論和變分法的奠基人，還是將自然常數e引入數學研究的第一人。在研究連續複利等問題時，他深入探索e的性質，為微積分的發展奠定了堅實基礎。伯努利的《猜度術》等著作，對微積分、微分方程等學科的發展產生了深遠影響，推動了數學向更廣闊領域邁進，他的貢獻在數學史上熠熠生輝。

4.2歐拉的貢獻歐拉在數學領域貢獻卓越，他正式將自然常數e與對數函數聯絡起來，定義了自然對數ln。歐拉的工作如同璀璨星辰，照亮了數學發展的道路。他對微積分、複分析、數論等眾多分支都有開創性貢獻，其提出的歐拉公式等成果，將自然對數與三角函數等緊密相連，極大地推動了數學理論的完善與發展，使自然對數在數學中占據重要地位，為後續數學研究提供了強大工具。

五、lg和ln的具體應用

5.1數學分析中的應用在數學分析中，對數有著廣泛而重要的應用。以微分方程為例，Logistic方程是一種特殊的非線性微分方程，描述因競爭導致增長變緩的模型，其中就涉及自然對數。求解這類方程時，利用對數的性質可將複雜的表達式簡化，幫助研究人員分析種群增長等，動態過程。在更複雜的微分方程求解中，對數也能輔助進行變量代換、化簡運算，使問題的解決變得更為便捷，是數學分析中不可或缺的工具。

5.2物理學中的應用物理學中，自然對數頻繁出現在諸多重要公式裡。描述物體冷卻速度與溫度差的牛頓冷卻定律中，反映了物體溫度隨時間按指數規律變化的特征。在放射性元素的衰變公式裡，自然對數用於計算元素的衰變速率和剩餘質量。