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什么是斯特林常数?欧拉都计算错误的一个神秘而有趣的常数

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一句话数学:斯特林常数是一个重要的数学常数,出现在斯特林公式中的误差项中,用于计算阶乘的近似值。

一、什么是斯特林常数,有什么用?

斯特林常数(Stirling's constant)是指斯特林公式中的常数项。斯特林公式是一个近似计算阶乘的公式,表示为:

n! ≈ √(2πn)(n/e)^n

其中,e是自然常数,π是圆周率,n!表示n的阶乘。

斯特林常数通常用γ表示,它的近似值约为0.5772156649。斯特林常数γ出现在斯特林公式的误差项中,它在阶乘的渐近展开式中起到关键作用。

斯特林常数在组合数学、统计学、物理学等领域有广泛的应用,例如用于计算自然对数的近似值、计算高斯分布的标准差等。此外,斯特林常数也在算法分析和计算复杂性理论中有重要的作用,用于衡量算法的时间复杂度。

二、斯特林常数是如何被发明的

斯特林常数得名自18世纪苏格兰数学家詹姆斯·斯特林(James Stirling),他最早在1727年的一篇论文中提出了斯特林公式的一种形式,但并未给出斯特林常数的近似值。

斯特林常数的近似值最早由瑞士数学家约翰·伯努利(Johann Bernoulli)在1730年左右计算得到,但他并未正式发表这个结果。后来,瑞士数学家尼古拉·伯努利(Nicolaus Bernoulli)在1742年的一封信中提到了这个近似值,并称其为“斯特林数”(Stirling's number)。约翰·伯努利和詹姆斯·斯特林的关系密切,斯特林是伯努利家族的亲戚,他也在伯努利家族的帮助下进入了爱丁堡大学学习数学。

后来,斯特林常数的名称也随着时间的推移而发生了变化。在19世纪,德国数学家卡尔·魏尔斯特拉斯(Karl Weierstrass)将其称为“欧拉-马斯刻罗尼常数”(Euler-Mascheroni constant),以纪念欧拉和意大利数学家洛伦佐·马斯刻罗尼(Lorenzo Mascheroni)。但现代数学中,这个常数通常仍然称为斯特林常数。

三、斯特林常数有哪些有意思的故事

斯特林常数是一个神秘而有趣的常数,与许多有趣的故事和事实相关。

以下是几个有趣的故事:

斯特林和欧拉的争论

斯特林和欧拉是18世纪欧洲最杰出的数学家之一。他们曾就许多数学问题进行过激烈的争论,包括斯特林公式中的常数。欧拉认为斯特林常数的值是0,而斯特林坚持认为它是一个非零的数。最终,斯特林通过数值计算得出斯特林常数的近似值,证明了他的观点是正确的。

斯特林常数的出现

斯特林常数最初出现在斯特林公式的误差项中。这个误差项反映了斯特林公式与真实阶乘之间的差距,而斯特林常数就是这个误差项的系数。斯特林公式本身是一个非常有用的工具,因为它使得计算阶乘变得更加简单和快速。

斯特林常数的计算

计算斯特林常数是一个非常困难的问题,因为它没有明确的表达式。最早的近似值由约翰·伯努利计算得到,但它只有十分粗略的精度。随着计算机技术的发展,人们能够更准确地计算斯特林常数的近似值。目前,已经计算到了数百万位。

斯特林常数的应用

斯特林常数在数学和科学中有着广泛的应用。例如,它可以用于计算自然对数的近似值,计算高斯分布的标准差,以及衡量算法的时间复杂度等。此外,斯特林常数还出现在许多其他数学公式和方程中,因此对数学家来说,它是一个非常重要的常数。

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