在400多年前,⼈类还没有发明计算机,还只能做加、减、乘、除等简单运算。但是随着科学技术的发展,特别是随着天⽂学和⼒学的迅速发展,科学家要⾯对许多复杂的计算,这就促使他们去寻找简化复杂计算的⽅法。对数运算与对数表就是在这样的背景下产⽣的。
⼈们应该把造出第⼀张对数表归功于乔伯斯特-别尔基 (Jobst Burgi,1552-1632) 和约翰-纳⽪尔(John Napier,1550-1617)。
他们在制作对数表的过程中所花费的巨⼤的劳动使⼈惊讶。法国数学家和天⽂学家拉普拉斯(Laplace,1749-1827)说:⼀个⼈的寿命如果不拿他在世上的时间⻓短来计算,⽽是拿他⼀⽣中的⼯作多少来衡量,那么可以说,对数的发明等于延⻓了⼈类的寿命。
恩格斯曾经将解析⼏何、对数及微积分并列为⼗七世纪三个“最重要的数学⽅法”,⽽对数的计算⼜离不开对数表,由此可知对数表的制作成功对科学发展的重要意义。
乔伯斯特-别尔基出⽣于瑞⼠,是⼀个能⼲的钟表匠和天⽂仪器技师,他没有受过⾼等教育,他取得的成就完全是靠他突出的才能与勤奋的⼯作。他和发现⾏星运⾏三⼤定律的德国著名科学家开普勒(Kepler,1571-1630)⼀起⼯作,因为需要进⾏⼤量的计算,这就促使他去寻找快速计算的⽅法。
约翰-纳⽪尔是苏格兰⼈,他也不是职业数学家,但是他受过良好的教育,是⼀个天⽂学和数学的爱好者。他完全独⽴地和别尔基同时开展着类似的研究。他⽤了20年的时间来制作第⼀张对数表,在这过程中,他始终怀着⼀个崇⾼的⽬标:减轻未来计算⼈员的劳动。
下⾯我们来看看他们是怎样制作对数表的。由于对数运算有换底公式,所以只要选择⼀个适当的底,关于这个底制作出对数表,则关于其他底的对数表就很容易制作出来了。那么以什么数作为底最合适呢?
⾸先,对数表需要满⾜⼀个基本条件:表中对数的间隔要充分⼩,⽽真数的间隔也要充分⼩(例如为0.0001)。这样当我们从真数求对数时,很容易在表中找到这个真数的精确值或近似值,从⽽很快在同⼀⾏读出它的对数值;⽽当我们从对数求真数时,也很容易在表中找到这个对数的精确值或近似值,从⽽很快在同⼀⾏读出它的真数值。
因为我们使⽤的是10进制,所以先试⼀下以10作为底是否合适。对数底a=10,lgN=log10N。这个表的左边对数部分的间隔很⼩,是0.0001,但右边真数部分的计算⾮常困难,需要对10,100,1000,10000等数求10000次根,这简直是⽆法计算的。
为了避免求上述的开10000次根的运算,我们应该取某个数的10000次幂为底,那么我们先取1010000作为底来试⼀下。现在这个表右边真数部分的计算不困难了,但这个表不符合我们的要求,虽然对数的间隔⽐较⼩(0.0001),但是真数的间隔太⼤,⽽且增加太快。
我们把底缩⼩⼀点试⼀下,取210000作为底。底缩⼩后,真数这⼀列间隔也缩⼩了,但是仍然太⼤,⽽且增加也很快。我们把底再缩⼩⼀点试⼀下,取(1+1/2)10000作为底。从以上⼏张表我们可以发现,我们取的底应该是⼀个指数形式,指数是⼀个⽐较⼤的数,如10000,⽽底越接近1,真数这⼀列的间隔就越⼩。
于是⾃然地想到以1.000110000作为底试⼀下。我们发现这张表已经满⾜我们前⾯提出的要求了:真数和对数都按照单调增加的序列排列,⽽且间隔都⾮常⼩。
从以上讨论可以得出这样的结论:为了造第⼀张对数表时便于计算,必须取形如(1+1/n)n的数为底,其中n为⼀个较⼤的整数,如n=1000,10000等,n越⼤,所造的表越精确。
别尔基造的对数表就是⽤数1.000110000做底的,这张表在1620年出版,称为“算术级数和⼏何级数表”。别尔基从1603年到1611年共⽤了⼋年的时间来造表,为什么要⽤这么多时间呢?你们可以想⼀下,表中对数的间隔是0.0001,从0到1就要计算10000个真数的值。制作整个对数表,别尔基总共做了230,000,000个以上的数依次乘以1.0001的乘法计算。
别尔基造的对数表没有得到⼴泛的推⼴,因为在1620年,纳⽪尔出版了⽐别尔基造的表完善得多的对数表,称为“珍奇对数表”。纳⽪尔的对数表是以1.00000011000000做底的,因此更加精确。为了制作这张表,纳⽪尔⽤了20年的时间。
随着⽜顿(Newton,1643-1727)和莱布尼兹(Leibniz,1646-1716)创⽴了微积分,柯⻄(Cauchy,1789-1857)和魏尔斯特拉斯(Weierstrass,1815-1897)等⼈奠定了微积分的基础,建⽴了严格的极限理论,⼈们发现当n⽆限增加时,数列(1+1/n)n极限存在,这个极限是⼀个⽆理数,等于2.71828182845……,数学家把这个数⽤字⺟e来表示,是为了纪念伟⼤的瑞⼠数学家欧拉(Euler,1707-1783)。
但为了纪念纳⽪尔,这个数也叫作“纳⽪尔数”。
因此,现在⽤的对数有两种,⼀种叫⾃然对数,它以数e为底,另⼀种叫常⽤对数,它以10为底。