数学为什么不能除以零

小编来今天给同学们带来的趣味数学故事是:数学为什么不能除以零 。
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故事适合年级:小学【数学为什么不能除以零】趣味小故事: 除以零确实是个困扰很多人的问题 。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 。但是为什么?零也是个数字,它到底哪里特殊了?
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 。
【数学为什么不能除以零】 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 。
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 。
初中篇
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,所以问
1 / 0 = ?
就等于是解方程
0 * x = 1
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
0 * x = 0
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 。
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
0 * 1 = 0
0 * 2 = 0
推出 0 * 1 = 0 * 2
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,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 。
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?
这就立刻遇到一个问题,它的左极限和右极限不一样啊 。b是从负的那头靠近0,还是正的那头?这一个是越来越负,一个是越来越正,碰不到一起去 。这样的极限是没法定义的 。
因此,微积分课程里会反复说,虽然用到了∞这个符号,但是这只是代表一个趋势,绝对不是一个真正的数,不可参与运算 。
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 。
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 。