ln之美
这个网站的域名是www.ln.cn,那么,ln有什么特点呢
我们都知道,$(x^m)’ = m x^{m-1}$。积分易得:
$$\int x^n \, dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C \quad (n \neq -1)$$
可以发现, $n = -1$ 时,分母为 $0$,这让我们想到,什么函数的导数,恰好是$\frac{1}{x}$ 呢?
我们又知道推导$f(x) = \log_a x$ 的导数的过程:
$$f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\log_a(x+h) – \log_a x}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{1}{h} \log_a \left( 1 + \frac{h}{x} \right)$$
令 $u = \frac{h}{x}$,当 $h \to 0$ 时 $u \to 0$:
$$f'(x) = \frac{1}{x} \lim_{u \to 0} \log_a \left[ (1 + u)^{\frac{1}{u}} \right] = \frac{1}{x} \log_a \left[ \lim_{u \to 0} (1 + u)^{\frac{1}{u}} \right]$$
为了让导数结果系数为0,那么$\log_a [ \dots ] = 1$。这可以得出 $a$ 的取值:
$$e = \lim_{u \to 0} (1 + u)^{\frac{1}{u}} = \lim_{n \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^n \approx 2.71828$$
故 $\ln x$, 求导恰好是$\frac{1}{x}$:
$$\frac{d}{dx} \ln x = \frac{1}{x}$$
这是它最奇妙的性质,那么$\ln$还有什么其他美妙之处呢?
我们再来看看著名的调和级数:
$$1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \dots + \frac{1}{n}$$
大家都知道它是发散的,且发散得非常慢这与 $\ln n$有很大关系。
数形结合: $y = \frac{1}{t}$ 上,区间 $[k, k+1]$。,曲线下方的面积在两个矩形面积之间:
$$\frac{1}{k+1} < \int_k^{k+1} \frac{1}{t} \, dt < \frac{1}{k}$$
求和可得:
$$\frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \dots + \frac{1}{n} < \int_1^n \frac{1}{t} \, dt = \ln n < 1 + \frac{1}{2} + \dots + \frac{1}{n-1}$$
故:
$$\ln n < 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \dots + \frac{1}{n} < \ln n + 1$$
既然我们可以放缩,那么必定有误差,它们的差值是什么呢?
$$\gamma_n = \left( 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \dots + \frac{1}{n} \right) – \ln n$$
容易验证,$\gamma_n$ 单调递减,且恒为正。
那么会收敛到0吗,以我的能力无法解释并证明,不过,伟大的欧拉告诉我们:
$$\lim_{n \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \dots + \frac{1}{n} – \ln n \right) = \gamma \approx 0.5772$$
这个极限就是著名的欧拉常数 $\gamma$。
除此之外,$\ln$ 和素数的分布也有很大关系。
我能力有限,这里放一个链接,可自行欣赏
https://zhuanlan.zhihu.com/p/114662915