说出来你可能不信
但这是真的
今天学习了除法的表妹跑来问我:为什么不能除以0?
就这个问题,我专门请来了高冷的Siri。
同样是数字,0为什么就会这么惨呢?
今天超模君跟你剖析不能除以0的秘密?
小学篇
小学老师会直接给你来一句:别问,问就是没意义!
怎么理解?
我们说1÷2可以理解为1个东西分成2份。
同样:1÷3可以理解为1个东西分成3份。
但是:1÷0可以理解为1个东西分成0份。
就是说,你啥也不用干!那啥也不用干,你为什么还要除以0呢,所以没意义。
这结论没错,但这么严谨的数学学科,怎么解释的一点逼格也没有呢?
初中篇
所以,接下来超模君稍微认真点。
首先,除法起源于乘法,乘法的逆向运算。说这个有什么用呢?因为面对除法式子,我们可以把它转化为乘法式子。
比如在被除数不为0的时候:
1 ÷ 0 = ?
我们可以理解为0乘以一个数等于1,但是常识告诉我们不可能,因为0乘以任何数都是0。
另外,当被除数是0的时候:
0 ÷ 0 = ?
我们可以理解为0乘以一个数等于0,嗯,没错啊,因为0乘以任何数都是0。
但到底是什么数啊?这意味着 0 ÷ 0有无数个答案,根本无法确定。
高中篇
当然,我们可以换个角度想想,用武林中失传已久的方法:反证法!
首先假设可以除以0,那么任何一个数除以0之后就一定会有一个结果出现。我们用不同的字母代表可能会出现的结果。比如:
1 ÷ 0 = a
2 ÷ 0 = b
3 ÷ 0 = c
……
因为除法是乘法的逆向运算,我们可以得出:
1 = a × 0 = 0
2 = b × 0 = 0
3 = c × 0 = 0
……
进一步可以推出,1=2=3=……=0。因此,假设不成立。
什么都是0,这不就是要四大皆空的节奏吗?
大一篇
可能有些学过微积分的朋友会反驳,“可以除以0的,结果不就是∞么。”
实际上,这个说法并不对。
首先我们用极限思维来思考这个事情。
1÷0.1=10
1÷0.01=100
1÷0.001=1000
1÷0.0001=10000
......
意味着1除以一个很小很小的正数,得到一个超级大的正数。
同理:
1÷(-0.1)=-10
1÷(-0.01)=-100
1÷(-0.001)=-1000
1÷(-0.0001)=-10000
......
意味着1除以一个很小很小的负数,得到一个超级大的负数。
1除以一个无穷接近于0的正数和一个无穷接近于0的负数,走向的结果一个是正无穷,一个是负无穷。在这个中间经历了多大的鸿沟,到底经历了什么,我不得而知。而他们的中间,除以的正是0。
因此,微积分课程里会强调,∞这个符号只是代表一个趋势,并不是一个确切的数,是不能参与运算。
大二篇
看到这里,同学们肯定不会服气:虽然一个数除以0是未定义的,但并不是就意味没有啊。
没错,的确如此。
于是一个大胆的想法蹦了出来:制定新规则。毕竟,数学家也不是没有试过。
在过去很长一段时间里,平方根里面是不能放负数的。后来数学家将负数的平方根定义为一个新的数字,称为i,一个全新的复数的数学世界从此被开辟了。
既然他们都可以这样做,我们也来凑个热闹呗,直接定义 1 / 0 = w,w是个“无限大”的数。
定义一时爽,一直定义一直爽。
我们虽然可以随便定义东西,但如果和现有的数学体系不相容,就会用得很苦逼,甚至不能用。
那么先来几个简单问题:1 + w等于多少?w - w等于多少?
我们可能会有这样的的直觉:无穷大加1不也是无穷大么!至于无穷大减无穷大不就等于0,自己减自己嘛!
我们不妨来加减一下。
1 + ( w - w ) = 1 + 0 = 1
可是
( 1 + w ) - w = w - w = 0
这里面涉及到的结合律,是加法里最基本的东西。也正因为它,才使得许多数学定理得以证明。
可想而知,如果结合律坍塌,那涉及到它的数学定理也一样兵败如山倒。为了能除以0,舍弃如此重要的结合律,明显不划算。
那还不如老老实实用旧体系。
说人话就是这个定义......
大三篇
有些同学可能不服气,就是要反对:还有很多的定义方式,我就不信没有!而且将来也会有新的办法啊。
如果有能够将除以0完美融入现代数学体系的办法,那自然是最好,然而不大可能。其他学科可以通过新发现来推翻旧结论,但在数学里走不通。因为数学在两千多年的发展都是建立逻辑上,假如确实存在w这一个数,那么它一定违反了我们现有数学体系中的公理。
比如“皮亚诺公理”。
Ⅱ、每一个确定的自然数a,都具有确定的后继数a' ,a'也是自然数(数a的后继数a'就是紧接在这个数后面的整数(a+1)。例如:1'=2,2'=3等等。)Ⅳ、不同的自然数有不同的后继数,如果自然数b、c的后继数都是自然数a,那么b=c。
那么问题又又来了, w 是哪个数的后继数啊?哪个数加上1能得到 w?
你会发现根本说不出来,因为所有你能想到的数字都已经有属于自己的后继,只要把 w 当成一个数,那就没法兼容我们现有的实数。
值得一提的是,如果皮亚诺公理没了,整个自然数的体系就都不能成立。
大四以上篇
那是不是就意味着表达式 1 / 0 = ∞ 也不能写?
也不是不能。
事实上,还有一种“黎曼球面”的概念,是一种将复数平面加上一个无穷远点的扩张。
里面涉及到“复无穷”的一个东西,是扩充复平面上有定义的一个点。
在这个特殊的规则下你可以写下 1 / 0 = ∞ 这样一个表达式,但无穷远点的算数区别于一般的代数规则不符。比如你不能把0放到式子右边,写成 1 = 0×∞。
然而这个黎曼球解决的并非是我们能否除以0的问题,它主要应用在分析和几何的其他学科,譬如量子力学和物理学其他分支。
总结篇
说到底,0能不能作为除数只是一个规定问题,如果确实要讨论的话,那就只是在讨论这个规定的合理性,所以在通常意义下0不能作为除数,否则会违反了一些非常重要的公理,而这些公理的地位可是非常之深。
当你可以完美的除以0,就推翻整个数学界了。
来源:超级数学建模,旨在分享,如有侵权,联系删除。
此文由 林心小筑 编辑,未经允许不得转载!:首页 > 趣·分享 » 黎曼:0可以推翻数学界