所以,到底为什么不能除以零?

作者: 魏朗尓

来源: 果壳

发布日期: 2023-09-23 20:01:05

本文详细探讨了为什么在数学中不能除以零的问题,从小学的直观理解到大学的深入分析,揭示了这一规则背后的逻辑和数学原理。

所以,到底为什么不能除以零?

曾经,如果你问苹果⼿机上的Siri,“零除以零等于多少”,它会说:“假如你有0块饼⼲,要分给0个朋友,每个⼈能分到⼏块?你看,这个问题没有任何意义吧?甜饼怪会难过,因为没有饼⼲吃,⽽你也会难过,因为你⼀个朋友都没有。”抛开这个伤⼈的回答不论(有朋友谁会跟你聊天啊喂!),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“把⼀个东⻄分成⼏份”,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。

这结论没错,但这都是凭直觉⽽得到的东⻄。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⻄,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⻄,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。

⼤三篇

你可能会提出反对:有那么多的定义⽅式,我都试过?要是没试过,我怎么知道不会某⼀天冒出来⼀个能够⾃洽的办法?

“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。那w是谁的后继呢——或者说,谁加上1能得到w呢?显然所有其他的数字都已经有了⾃⼰的后继,w在其中没有位置,没有任何其他的数加上1能成为w。那么就只能是1+w=w了,可那就直接和第⼆句话⽭盾。⽽没有⽪亚诺公理,整个⾃然数的体系都不能成⽴。

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。

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。⽐如有⼀个东⻄叫做“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⻓了,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“东⻄”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。

总结篇

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的回答那么⼼暖(或者⼼寒),但这些理性的愉悦也是⼀种美丽,对吧?

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