第一節 指數的概念
數學實驗

許多數學模型都涉及連續增長或衰退的概念,增長或衰退的程度取決於原本數量的大小、增長或衰退的速率以及持續的時間,這些模型常應用在生物、物理、經濟生活等方面。

以下列舉了一些常見的例子,請同學回答相應的問題。

世界上的生物各式各樣,由小變大,不斷生長成熟,就像一個剛出生、只有數磅重的嬰兒,不斷發展成長為超過一百磅的成人,這依賴於細胞的分裂增殖。細胞分裂是生物體生長、發育和繁殖的基礎,如視頻所示,它是一個細胞分裂為兩個細胞的過程。分裂前的細胞稱母細胞,分裂後形成的新細胞稱子細胞。

舉例說,一個母細胞經過分裂,生成兩個子細胞,兩個子細胞再進行分裂,生成四個子細胞,這四個子細胞分裂可以生成八個子細胞,第 \(\displaystyle{ 10 }\) 次分裂後,初始的一個母細胞就可以繁殖出 \(\displaystyle{ {{2}^{10}}=1024 }\) 個子細胞,以此類推,經過 \(\displaystyle{ n }\) 次分裂後,子細胞的個數將達到
  • \(\displaystyle{ 2n }\)
  • \(\displaystyle{ {{n}^{2}} }\)
  • \(\displaystyle{ {{2}^{n}} }\)
  • \(\displaystyle{ {{n}^{n}} }\)
。隨著分裂次數的增長,子細胞的個數的增長越發顯著,如經過 \(\displaystyle{ 20 }\) 次分裂後,子細胞的個數將過百萬;經過 \(\displaystyle{ 30 }\) 次分裂後,子細胞的個數將達 \(\displaystyle{ 10 }\) 億多,增長幅度顯著,這也就形成了生物體的發育和繁殖。

細胞分裂

放射性元素能夠自發地從不穩定的原子核內部放出粒子或射線 (如 \(\displaystyle{\alpha }\) 射線、\(\displaystyle{\beta }\) 射線、\(\displaystyle{\gamma }\) 射線等),同時釋放出能量,最終衰變形成穩定的元素而停止放射。每種放射性元素都有半衰期,經過半衰期後,其濃度降低至初始時的一半。放射性元素的半衰期常常用來測定年代。

例如,碳 \(\displaystyle{ (C) }\) 是有機物的元素之一,生物體在活著的時候會因呼吸、進食等不斷的從外界攝入放射性元素碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\),最終體內碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\) 與碳十二 \(\displaystyle{ (C12) }\) 的比值會達到與環境一致;當生物體死亡時,碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\) 的攝入停止,之後因遺體中碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\) 的衰變,使遺體中的碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\) 與碳十二 \(\displaystyle{ (C12) }\) 比值發生變化,通過測定殘餘碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\) 與碳十二 \(\displaystyle{ (C12) }\) 的比值就可以推斷該生物的死亡年代,這就是古生物學中常用的碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\) 測年法。

碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\) 的半衰期是 \(\displaystyle{ 5730 }\) 年,即經過了 \(\displaystyle{ 5730 }\) 年,死亡生物體的碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\) 含量減少 \(\displaystyle{ 50\% }\),再經過 \(\displaystyle{ 5730 }\) 年,碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\) 的含量將減少為生物體生前的 \(\displaystyle{ {{\left( \frac{1}{2} \right)}^{\frac{5730+5730}{5730}}}=25\% }\),以此類推。假設現有一個存在於 \(\displaystyle{ 7000 }\) 年前的生物標本,那麼它的碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\) 的含量將為生前的
  • \(\displaystyle{ {{\left( \frac{1}{2} \right)}^{\frac{5730+7000}{5730}}} }\)
  • \(\displaystyle{ {{\left( \frac{1}{2} \right)}^{\frac{7000+7000}{5730}}} }\)
  • \(\displaystyle{ {{\left( \frac{1}{2} \right)}^{\frac{7000}{5730}}} }\)
  • \(\displaystyle{ {{\left( \frac{1}{2} \right)}^{\frac{5730}{7000}}} }\)
  • \(\displaystyle{ {{ \frac{1}{2} } \times {\frac{7000}{5730}}} }\)
。隨著年限的增長,碳十四 \(\displaystyle{ (C14) }\) 含量的減少幅度也愈來愈小。

上圖為 α 衰變,原子核放出一個 α 粒子,即兩個質子和兩個中子。中圖為 β 衰變,原子核中的一個中子放出一個 β 粒子,自身變為質子。下圖為 γ 衰變,處於高能量激發態的原子核放出 γ 輻射,釋放能量。

複利是一種計算利息常用的方法,按照這種方法,計算每期末之利息,是以前一期末所得之本金加利息的和作為下期本金,即除了根據本金計算外,新得到的利息同樣可以生息。

例如,一筆 \(\displaystyle{ 5 }\) 萬元的本金存入銀行,年利率為 \(\displaystyle{ 2 \% }\),那麼一年後,\(\displaystyle{ 5 }\) 萬元的本金升值為 \(\displaystyle{5\times \left( 1+2\% \right)=5.1 }\) 萬, 兩年後,本金升值為 \(\displaystyle{5\times {{\left( 1+2\% \right)}^{2}}=5.202 }\) 萬,三年後,本金升值為 \(\displaystyle{5\times {{\left( 1+2\% \right)}^{3}}\approx 5.306 }\) 萬,以此類推, \(\displaystyle{ n }\) 年後,本金升值為
  • \(\displaystyle{ {{\left( 1+2\% \right)}^{n}} }\)
  • \(\displaystyle{ 5\times {{\left( 1+2\% \right)}^{n}} }\)
  • \(\displaystyle{ 5\times {{\left( 1+2\% ^{n}\right)}} }\)
  • \(\displaystyle{ 5\times {{\left( 1+2\% n\right)}} }\)
  • \(\displaystyle{ 5^{n}\times {{\left( 1+2\% \right)}} }\)
  • \(\displaystyle{ 5n \times {{\left( 1+2\% \right)}} }\)
萬。 隨著年期增長,複利引發的增長會愈來愈顯著。

存款

以上關於生物學、物理學及經濟學方面的知識都涉及到數學中的指數,這些數據呈現出指數性的增長或減少。

指數的概念

指數 (Exponent)在數學中代表次方,也叫做 「冪」,表示幾個相同因數相乘的關係。其基本形式為 \(\displaystyle{{{a}^{n}} }\),表示 \(\displaystyle{ n }\) 個 \(\displaystyle{ a }\) 相乘的積,即

\[\displaystyle{{{a}^{n}}=\overbrace{a\times a\times a\times \cdots \times a}^{n} }\]

其中 \(\displaystyle{ a }\) 叫做底,\(\displaystyle{ n }\) 叫做指數。當 \(\displaystyle{ n }\) 是整數時,該指數稱為整數指數。

例如,\(\displaystyle{{{2}^{4}} }\) 表示 \(\displaystyle{2\times 2\times 2\times 2 }\),其中 \(\displaystyle{ 2 }\) 是底數,\(\displaystyle{ 4 }\) 是指數。

注意:\(\displaystyle{{{a}^{1}}=a }\)。

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