三次方根：从一至八百万 第13章 lg与ln的历史故事上半场之lg的历史故事

一、对数的起源

1.1 约翰·纳皮尔提出对数的动机16、17世纪之交，天文学、航海、工程等领域蓬勃发展，复杂计算需求激增。约翰·纳皮尔作为苏格兰数学家，在研究天文学的过程中，深感大数乘除、开方等运算的繁琐，这不仅耗时耗力，还极易出错，严重阻碍了科学研究的进展。他意识到必须找到一种简化计算的方法，于是开始潜心钻研。经过长期思考与探索，纳皮尔最终发明了对数，为科学计算带来了革命性的改变，也让天文学界为之狂喜，对数的发明也因此成为17世纪数学的三大成就之一。

1.2 纳皮尔发明对数的过程纳皮尔构造对数表的过程充满智慧。他以几何和连续运动为基础，用一条射线表示等差数列，点A以恒定速度运动；用一条线段表示等比数列，点b从起点出发，速度按几何级数下降。他设定线段长度为107，点b在初始位置b0的速度为107，且速度降低比率为实数r（0＜r＜1）。当点A运动到某位置时，点b在线段上的位置与点A运动的距离就构成了对应关系，纳皮尔将这种对应关系定义为对数。通过这种方式，他将乘法转化为加法，除法转化为减法，极大地简化了计算，为对数表的制作奠定了基础，其工作量之巨大令人惊叹。

二、对数的早期应用

2.1 天文学中的应用在天文学领域，对数极大地简化了计算。原本天文学家需要处理大量天文数字，进行复杂的乘除、开方运算，如计算天体距离、星体运行轨迹等。有了对数，这些繁琐运算变为简单的加法和减法。众多天文学家纷纷利用对数表，如英国天文学家亨利·布里格斯，他专程拜访纳皮尔，对对数的实用价值赞叹不已。在布里格斯的建议下，纳皮尔对数表得到改进，更便于使用。此后，对数表成为天文学家的重要工具，为天文学的发展提供了有力支持，让天文学家能更专注于天体现象的研究。

2.2 航海中的应用航海事业的发展离不开精确的导航与测量，对数在其中起到了关键作用。在茫茫大海上，航船需要确定位置和航线，对数简化了航海中所需的复杂计算，如测量经纬度、推算航程等。乡村木匠约翰·哈里森虽未受教育，但他利用对数的原理，自学制表技术，解决了困扰人类数千年的航海定位难题。航海家们借助对数，能更准确地确定船位，避免触礁等危险，确保航船安全航行，对数成为航海事业中不可或缺的重要工具，为大航海时代的繁荣奠定了基础。

三、对数在数学中的发展

3.1 从常用对数到自然对数的演变约翰·纳皮尔发明对数后，布里格斯等数学家在此基础上发展出以10为底的常用对数，它因计算方便，在生活中应用广泛。但随着数学研究深入，人们发现以自然常数e为底的对数更具优势。雅各布·伯努利在研究连续复利时，首次接触到e的概念。欧拉后来将e与对数紧密联系，正式提出自然对数ln。自然对数的底数e是一个无理数，约等于2.，它在数学分析中有着独特性质，为后续微积分等学科的发展奠定了基础。

3.2 自然常数e的发现自然常数e的发现与众多数学家紧密相连。雅各布·伯努利在研究复合利息问题时，首次发现当计息周期无限缩短时，本利和的极限值是一个特定常数，即e。莱布尼茨在与伯努利的通信中也对e进行了研究。欧拉则进一步将e与对数函数联系起来，使e成为自然对数的底数。e在数学分析中至关重要，它是导数等于自身的函数ex的底数，在微积分、级数等众多领域都有广泛应用，是数学大厦中不可或缺的基石。

四、数学家的贡献

4.1 雅各布·伯努利的贡献雅各布·伯努利作为伯努利家族的杰出代表，在数学领域成就斐然。他不仅是概率论和变分法的奠基人，还是将自然常数e引入数学研究的第一人。在研究连续复利等问题时，他深入探索e的性质，为微积分的发展奠定了坚实基础。伯努利的《猜度术》等着作，对微积分、微分方程等学科的发展产生了深远影响，推动了数学向更广阔领域迈进，他的贡献在数学史上熠熠生辉。

4.2 欧拉的贡献欧拉在数学领域贡献卓越，他正式将自然常数e与对数函数联系起来，定义了自然对数ln。欧拉的工作如同璀璨星辰，照亮了数学发展的道路。他对微积分、复分析、数论等众多分支都有开创性贡献，其提出的欧拉公式等成果，将自然对数与三角函数等紧密相连，极大地推动了数学理论的完善与发展，使自然对数在数学中占据重要地位，为后续数学研究提供了强大工具。

五、lg和ln的具体应用

5.1 数学分析中的应用在数学分析中，对数有着广泛而重要的应用。以微分方程为例，Logistic方程是一种特殊的非线性微分方程，描述因竞争导致增长变缓的模型，其中就涉及自然对数。求解这类方程时，利用对数的性质可将复杂的表达式简化，帮助研究人员分析种群增长等，动态过程。在更复杂的微分方程求解中，对数也能辅助进行变量代换、化简运算，使问题的解决变得更为便捷，是数学分析中不可或缺的工具。

5.2 物理学中的应用物理学中，自然对数频繁出现在诸多重要公式里。描述物体冷却速度与温度差的牛顿冷却定律中，反映了物体温度随时间按指数规律变化的特征。在放射性元素的衰变公式里，自然对数用于计算元素的衰变速率和剩余质量。