任何实数a都不能除以零。这是为什么呢?
十除以二等于五,六除以三等于二,一除以零是多少?小学数学就会告诉你,答案是不能除。
0÷0=?
如果你问苹果手机上的 Siri,“零除以零等于多少”,它会显示:
除以零确实是个困扰很多人的问题......零也是个数字,它到底哪里特殊了?
Part 1小学篇
小学算术里,这个问题很简单。
那时我们把除法定义成“把一个东西分成几份”,分成一、二、三、四、五、六、七份都很容易想象,但是你要怎么把 10 个饼干分给 0 个人呢?想象不出来嘛!所以不能除。
敏锐的同学可能会想到,要是 0 个饼干分给 0 个人的话,本来无一物,好像就没关系了。但既然无物也无人,每个人分得多少都是可能的呀,根本无法给出一个单一确定的数值。
零的平方是介于-1和1之间的整数。是最小的自然数,也是有理数。0既不是正数也不是负数,而是正数和负数的分界点。0没有倒数,0的相反数是0,0的绝对值是0,0的平方根是0,0的立方根是0,0乘任何数都等于0,除0之。
这结论没错,但这都是凭直觉而得到的东西。你想象不出来,不一定意味着它没有。远古时代的数学是建立在直觉上的,买菜是够用了,但要进一步发展,就必须要有定义和证明——所以,我们上了中学。
Part 2中学篇
现在我们开始接触最最基本的代数学——也就是解方程。我们发现,除法和乘法互为逆运算。
零的平方是0。因为任何数和零相乘,答数都是0。0的平方是0,一个数是本身的数就是这个数,一个数的平方是本身的数是0或1。0是介于-1和1之间的整数,是最小的自然数,也是有理数。0的平方是0,0的平方根是
所以问
1 ÷ 0 = ?
就等于是解方程
好了,按照定义,0 乘以任何数都是 0,不可能等于 1,所以满足 x 的数字不存在,所以不能除。
同样,如果问
0 ÷ 0 = ?
就等于是解方程
同理,任何数字都可以满足 x,所以也不能除——无法确定一个单一的答案。
Part 3高中篇
等到接触了基本的形式逻辑,我们又会发现另一种证明方式:反证法。
一堆真的表述,不能推出一个假的表述,所以如果我们用“能够正常地除以零”加上别的一堆真表述,最后推出假的来,那只能说明“除以零”这件事情不成立了。
所以,已知
推出
零的平方是0 0是一个比较特殊的数字:1、0用来代表物体个数时,就是没有。2、0与任何数的积都是0。3、0不能作为除数。4、0的任何次方都是0。5、0除以任何数都是0。6、任何非零的数的0次方都是1。0的性质 0。
两边同时除以零,得到:
( 0 ÷ 0 ) × 1 = ( 0 ÷ 0 ) × 2
化简得到 1 = 2
这显然是错的啦!!!
那么,问题解决了吧!其实还没有。想想另一个问题:-1 的平方根是多少?
你可能会说,-1 不能开平方根,因为所有数的平方都是非负的。但是这说的是实数,零的平方为什么等于1,我要是增加一个定义呢?定义 i ^ 2 = -1,这就创造出了虚数,于是 -1 也能开平方根了。
那么,为何不能定义一个“新”的数,让 1 ÷ 0 也等于它,并为这个数设立一套运算法则呢?这就得去大学里回答了。
Part 4大一篇
刚学微积分课程就会立刻接触到 ∞ 这个符号。
咦,这不就是“无限”嘛!我们都学了极限的概念了,那么我令 b 趋向于 0,然后把 a ÷ b 的极限定义为无穷,不行吗?
Part 5大二篇
那么吸取教训,我不用现成符号了,我直接定义 1 ÷ 0 = w。
w 是个“无限大”的数,不碰什么极限,你总没话说了吧!然而,定义不是说来就来的,你虽然可以随便定义东西,但定义完了如果和现有的其他系统矛盾,那就不能用,或者很不好用。
而我们面对 w 立刻就遇到了问题。首先,w 要怎么放入基本的加减乘除体系里?1 + w 等于多少?w - w 等于多少?如果你造了一个数,却连加减乘除都不能做,那就不是很有用对吧。
比如直觉上,1 + w 应该等于 w,它都无限了嘛!而 w - w 则等于 0,自己减自己嘛!
但这样立刻会和加法里极其重要的“结合律”产生矛盾:1 + ( w - w ) = 1 + 0 = 1,可是( 1 + w ) - w = w - w = 0。结合律是加法里非常基本的东西,为了一个 w,连结合律都不要了,这成本有点大——不光是结合律本身,多少数学定理证明过程中不自觉都用了它,扔了它就都得重来,建立新体系。
新体系不是不能建,但是费心费力又(暂时)无卵用,所以大家还是在老实用旧的——而旧的里面,为了保住结合律,就不能这么玩。
零的平方是0,0的任何正数次方都是0,任何除0以外的数的0次方都是1。平方是一种运算,比如,a的平方表示a×a。代数中,一个数的平方是此数与的本身相乘所得的乘积,一个元素的平方是此元素与它的本身相乘所得的乘积。
欢迎读者们发挥自己的想象力,尝试为 w 给出运算方式。但是你会发现,无论怎么规定w和别的数字之间的关系,只要你还坚持 1 ÷ 0 = w,你就没法让它和你从小学习的基本数学不矛盾。还是那句话,你可以另立门户,在 w 的基础上建立起你的新数学,但它和大部分传统数学是不相容的,而且肯定会非常不好用,所以我们用了一个不能除以零的体系是非常合理的。
0的平方是0。0的0次方没有意义。0的任意正数次方都是0。0的任意负数次方没有意义。因为0的负数次方等于0的相应正数次方分之一(如:0的-2次方等于0的平方分之一),而0的任意正数次方都是0,所以0的负数次方会导致。
Part 6大三篇
“新发现推翻旧结论”这种事情,在生物里可以有,化学里可以有,物理里可以有,唯独数学里没有。因为数学建立在逻辑上,个案有例外,逻辑没有例外。当然我们的数学还没有完成最终公理化,还要面对哥德尔的幽灵,但至少在这个例子里,如果 w 是一个真正的数,那它就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。
比如有一组基本的公理叫“皮亚诺公理”,其中有一条说,每一个确定的自然数都有一个确定的后继,后继也是自然数;另一条说,自然数 b = c,当且仅当 b 的后继 = c 的后继。
这里假定 w 是自然数。其他情况会略微复杂一些,但无论如何,类似的事情发生在 w 的各种定义里。如果你想把 w 当成一个数,那就没法和我们现有的实数兼容。所以我们在几乎所有场合下都只能宣布,不能除以 0。
Part 7大四以上篇
既然我们之前说了个“几乎”,那就是有例外的——在个别奇葩场合下,可以。
比如:有一个东西叫做“复无穷”,它是扩充复平面上的一个点,真的是有定义的一个点。在这个特殊的规则下你可以写下 1 ÷ 0 = ∞ 这样一个表达式。这么做的原因就说来话长了,但它不是平常意义上的运算——比如你不能把 0 拿回来,不能写 1 = 0 × ∞。
另外,“无穷”二字在一些别的场合下是可以当成一个“东西”去对待的。比如当你衡量一个集合的大小的时候,它可以是无穷大的。但这就有很多种不同的无穷大了——自然数是无穷多的,有理数是无穷多的,实数也是无穷多的,可是奇数和偶数和正整数和负整数和自然数和有理数都一样多,而实数却比它们都多!同样是无穷,有的无穷比别的无穷更无穷。但这就是另一个话题了,打住!!!
所以,当我们说不能除以零的时候,理由……竟然出乎意料地充足。有许多直觉在数学里被推翻了,但是这一条没有。我们有种种数学上的方式去证明它无法成立的原因,虽然也许听起来不如 Siri 的回答那么“暖心”,但这些理性的愉悦也是一种美丽,对吧?