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第19章 纳皮尔

纳皮尔(Napier,1550-1617年),苏格兰爱丁堡人,是贵族出身的一个经营百顷良田的地主,13岁入圣安德鲁斯圣萨尔瓦特学院。他在农业与牧业方面有不少发明创造,但他最热衷的事业是数学,他在算术(数论)与代数方面颇有建树,最重大的数学成就是发明了对数。

文艺复兴之后,天文学、航海学、贸易、工程和军事等领域需要进行繁琐而精确的计算。在人类科学技术当中,与计算技术的发展有关的四大发明是:阿拉伯(印度)数码、十进制小数、对数和现代计算机。纳皮尔四分天下有其一。

纳皮尔于1614年发表《奇妙的对数定理说明书》,1619年,发表《奇妙的对数定律的构造》,后一著作是他的儿子整理出版的,此书中给出数学史上第一个对数表。

对数把乘法与除法分别化成加法与减法,从而可以使计算简捷,省时省力。当初纳皮尔把对数称为“人造数”(artificial number),后来才用logarithm这个词(对数)。纳皮尔说:“令人厌倦的冗长计算常常吓跑许多学习和运用数学的人,我的目标是竭尽我的精力和才能,发明一种新的算法来使人摆脱那种繁重而单调的计算。”

运用纳皮尔的对数原理,不仅可以使数值计算化繁为简,而且它还有众多的理论价值。

如今y=logax已是最重要的基本初等函数之一,而且w=lnz是复变函数论研究的重要内容。

对数在微积分中的应用也十分广泛,例如利用取对数的技巧,可以方便地求得一些怪异函数的极限与导数等等。

已知limx→x0f(x)=a>0,limx→x0g(x)=b,那么limx→x0(f(x))g(x)=?

令y(x)=f(x)g(x),取对数得

lny(x)=lnf(x)g(x)=g(x)lnf(x)

于是

limx→x0lny(x)=lnlimx→x0y(x)=limx→x0(g(x)lnf(x))

=limx→x0g(x)·limx→x0lnf(x)

=limx→x0g(x)·lnlimx→x0f(x)=blna

elnlimx→x0y(x)=eblna=elnab=ab

limx→x0y(x)=ab

若limx→x0fi(x)=ai>0,i=1,2,…,n,则有

limx→x0f1(x)f2(x)f3(x)···fn(x)=a1a2a3···an

取对数可以简化求导计算,例如

f1(x)>0,f2(x)>0,且f"1(x),f"2(x)存在,令

F(x)=fα11(x)fα22(x)

求F"(x)=?

lnF(x)=lnfα11(x)fα22(x)=α1lnf1(x)+α2lnf2(x)

两端取导数得

F"(x)F(x)=α1f"1(x)f1(x)+α2f"2(x)f2(x)

F"(x)=F(x)\[α1f"1(x)f1(x)+α2f"2(x)f2(x)\]

=nfα11(x)fα22(x)\[α1f"1(x)f1(x)+α2f"2(x)f2(x)\]

具体地,求y"(x)=?y(x)=(a+x)(b+x)(a-x)(b-x)。两端取对数得

lny(x)=12\[1a+x+1b+x-1a-x-1b-x\]

两端取导数得

y"(x)y(x)=12\[1a+x+1b+x-1a-x-1b-x\]

于是

y"(x)=12y(x)\[1a+x+1b+x-1a-x-1b-x\]

=(a+x)(b+x)(a-x)(b-x)(a+b)(ab-x2)(a2-x2)(b2-x2)

上述这些运算,如果不是取对数,使得“乘除变成加减”,直接去求极限或求导数,将是十分麻烦的作业。正是纳皮尔发明的对数和“奇妙的对数定理”给我们提供的方便。

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