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.原載於數學傳播第三卷第四期 .作者當時任教於清大數學系 | |||
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對數與約翰.納皮爾 (John Napier)
賴漢卿 |
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對數這個名詞,對國中、高中的同學來說都不會陌生,因為他們要學常用對數。進到大學上微積分時,以 e 為底的指數與對數函數更具基本的重要性。我上課,每次說到這�媮`要簡單提一提有關對數的故事,以引起學生的興趣。今年我上微積分課時,學生提議將這些故事寫出來好讓較多的學生分享此故事。寫與講稍有不同,蓋寫出來總得要有系統及根據、講則可以較不嚴格,然應學生的希望,乃花些工夫做個報導。
今天我們所用所講的對數為常用對數或自然對數,與最早 Napier 的對數稍有出入,唯其來源的精神及其性質可說來自 Napier,祇是形式不同而已。現在就來介紹 Napier 其人及其發明之對數法則。
我們知道當一個人想計算大數之積與商時,都常利用對數方法,求其近似值。其起源可遠溯 Kepler(1571∼1630)研究天體運動學時他遇到許多非常大的數值計算,但他要求的是有效的近似值,因之乃尋求簡單的計算方法。當時在蘇格蘭恰好出了一本書
"Mirifici logarithmorum Canonis descriptio, seu ... , auctore ac inventore Joanne Nepero barone Merchistonii" 這是1614年的事,傳說著者 Napier 在1550年出生於蘇格蘭的一小市鎮,Napier 原先是長老教會的修道士,他認為對人類最大的奉獻是傳授其教義之精神。這個非數學家的 Napier,為什麼著手研究發明對數呢?詳情不得而知,或許他常聽到有人為龐大的數值計算而感到苦惱,尤其是商、積之計算,因此引起了他推敲是否有簡單的計算方法。大概因之而發現他的對數法則吧!
Napier 首先所推考的是將大數的積或商的近似值計算,轉變成和或差的演算。於是由積與和的對應,注意到等比級數與等差級數的對應,但怎樣的等比級數對應怎樣的等差級數乃是個問題,這就是在 Napier 的創意中的關鍵。
Napier 最先考慮沿直線運動的兩點 P,Q。P 是在定長 AZ 之始點 A 到終點 Z 的運動。點 Q 則無限制地從直線 A'Z' 之始點 A' 點向 Z' 方向做運動,P,Q 以同速出發。點 Q 以等速運動,點 P 之速度由此點到 Z 的距離來決定,做減速運動。如點 P 在 B 點時,Q 在 B',此時就稱
A'B' 為 AB 的對數。
這就是「Napier 對數」的基本定義。僅就此定義,則尚無法出現「Napier 對數」的性質。為示明其性質,乃取 AZ 長為 r,r 可以為很大的值。在點 A 的 P 之速度為 r。P,Q 從 A,A' 出發,經過時間 故在時間 於是 又再經 循此下去,可知點 P 在 A,B,C,D,
(注意(2)之數 n 與(1)中出現之
為瞭解「Napier 對數」的性質,茲用現代的數學形式來說明。設
表示,這並不是 Napier 所用的記號。
依自然對數的性質,由(3)可導出
於是 但 故 若令 r 為極大的值,則上式之近似值成為 故得
其次設
則 於是得 依「Napier 對數」的定義 由(4)得
於是將
故
依(6)所示之性質 在(5)所示, 結果得
Napier 死後出版有《De arte logistica》(計算技術的方法)。Napier 對於代數或幾何所寫的雜錄,不問其完成與否,據說有遺稿集,然因未目睹其中內容,故未能多言,但由「logistica 意指做好計算」來看,Napier 的數學所示之一面是以計算為主的學問。
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| 編輯:康明軒 / 校對:鄧惠文 / 繪圖:張琇惠 | 最後修改日期:4/26/2002 |