[math] 我对对数的最新理解

前言

作为资深学渣,每次遇到对数就极度恐慌。恐慌不是因为要考试~~~。而是因为不理解,只能靠死记硬背运算规则。不能进行有效的推理,这让我极度不爽,因为会忘记。故惶恐。

所以总是耿耿于怀,想要试图理解对数的本质。最近看到了一篇文章,再一次的加深了理解。故整理了一些自己最新的感悟记录如下:

新的理解

接下来说一下我的最新理解,那么对数到底要怎么理解呢?

我们要知道自然数与四则运算的演化过程,之后自然便能导出到底啥是对数了。

推理过程如下:

1.有一天,上帝创造了自然数。自然数除了天然存在以外,还有一个性质就是天然有序。

2.因为有序,所以有了从一个数到达相邻数的计数操作,也就是加一操作,以及它的逆运算减一。我们称之为计数操作与逆计数(我自己起的名~~~,理解要领就好~~~)

3.通过计数操作,我们定义累计计数操作,或者叫做连续计数操作。称之为加法,以及它的逆运算减法。

  在步骤2里边,我们看到计数操作是二元的,第一元是op(正计数/逆计数),第二元是基数(比如从5数到6,5就是基数)。(其实从加法的角度理解,也是三元的,只不过第三元是常数1.但是你不要忘了我还没创造出加法呢,这个时候)

  那么到了步骤3里,我们这里的概念已经变成了三元的。op是加或减,第二元是基数,第三元是操作数。操作数就是做几次连续计数。如 5+6=11可以理解为

  对数5进行6次连续计数(加一)操作,得数为11.

  那么逆运算,也就是减法。是怎么来的呢?所谓逆运算就是通过得数反过来求得正向运算中的其他因子(不准确,领会要领。作者实在业余。。。)。来回答这样的两个问题:

  a。什么数做连续6次的计数操作可以得到11?

  b。5做连续多少次的计数操作可以得到11?

  关于问题b,我们这样求:对11连续做逆计数运行,当到底5的时候,我们发现一共进行了6次。我们说:11进行某 f1(5)操作后得到6.

  问题a,我们这样求:对11连续做6次逆计数运算,发现第六次结束之后,这个数是5.我们说:11进行某f2(6)操作之后得到5.

  这里f1和f2是两个不同的操作,f1是指减减减减减一直减到5为止。f2是指减一下再减一下,一直减六下。如果你是个程序员,你们就会明明实现这个两个函数是完全不一样的逻辑。。。

  (额。。。 我真是表达能力捉鸡。。有点吃力。。。)

  然后奇怪的事情发生了~~~,我们突然发现,在这个过程中5和6其实是可以互换的~~~这就是伟大的加法交换律啊,我的天~~~

  所以我们知道了,奇迹发生了,函数f1和函数f2是等价的。然后,我们给他俩起一个新的名字,叫做减法。

  就是说:因为加法有两个操作数(另一个之前我管他叫基数),所以它的运算反过程,也有对应的两个操作f1和f2,但是因为交换律的存在。所以f1和f2是统一的,也就是减法。

  故,把这个过程就定义为了加法的逆运算,我们称之为减法。

  这也就是交换律的意义。

4.于是我们上瘾了,是的。把2->3的推导过程再玩一次。

  对同一个基数,连续做n的加法运算。我们称之为乘法。

  就是5加5加5加5连续加了6次,称5乘6.

  乘法同样是一个op,一个基数,一个操作数。而TMD的简直神了,乘法居然也满足交换律~~~

  就是6加6加6加6连续加5次,竟然和前一次相等。

  故,基于3中的推理,得到了除法。请注意,这里的除法也是function1()与function2()的等价物,因为交换律。

  另外,你自然会问,那么0呢?0为啥不能做除数呢,凭什么?然后遗憾的是,我们这里不讨论0,因为请回到本小节第一句话,我们是在自然数系中讨论问题,还没创造0呢,亲。(其实是因为我还没想明白。。)

5.那么继续,再推导一次2->3的推理过程。

  对同一个基数,连续做n次的乘法操作。我们称之为乘方运算

  就是:5乘5乘5乘5,连续乘6次。得15625

  然后遗憾的是,乘方运算不再满足交互律,也就是6乘6乘6,连续乘5次得7776,不再与前式相等。于是也就没有了逆运算。

  但是不要怕,我们依然有function1和function2。区别是他们两个不在等价了。

  我们定义function1为开方运算,指求前式中的5,他回答的是这样一个问题:

  什么数连续乘,乘6次之后得15625

  我们定义function2为对数运算,用来求得前式中的6,他回答的是这样一个问题:

  自然数5连续乘乘乘,乘多少次之后得15625

6.截止到前文,我们已经理解好了啥是对数了。

  如前所属,这样的结果并不好看,对吧。

  于是为了好看。数学家们在将四则运算扩展至有理数域的时候,竟然通过引入新的定义,将乘方和开方统一了~~~,统称为幂运算。

  这地方,还有待详细理解。以后再说吧。。。

7.然后还要一个值得一提的是。

  在历史上对数并不是从我们先前的推导过程中出现的。在实际生活中,对数早于乘方出现了很长时间。它的出现主要是为了解决乘法运算不好算,

  并且数很大的问题。而对数的意义在于通过如下两个公式,神奇的将乘法运算转换回加法运算,除法运算转化为减法运算。

\ln xy = \ln x + \ln y
\ln x/y = \ln x - \ln y

  关于这个问题的详细探讨,就要交给扩展阅读里的第一篇文章来讲解了。  

8.还有还有

  通过前边的推理,我们是不是可以再抽象一个高度,把对数/开方与除法理解为同等的概念来处理?总感觉他们冥冥之中具有相同的性质。都是一种拆分?? 

  还有待深入的学习。

  知乎一个人的回答,只言片语~~

  

乘法群(R^+,\times)到加法群(R,+)的同构。

微分方程\frac{dy}{dx}=\frac1x在y\vert_{x=1}=0的解。

扩展阅读

本来想贴过来,后来发现贴过来巨丑,自己点进去看吧,各位。

如何理解对数:https://www.matongxue.com/madocs/12.html

自然底数到底怎么就自然了:https://zhuanlan.zhihu.com/p/48391055

 

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