»  數學  2009-10-19 詭譎的0?

一、 零的特性
 

 

1: 零是偶數或是奇數?
答案:
 0是偶數,習慣把……-8,-4,-2,0,2,4,6,8……叫作偶數,而把……-7,-5,-3,-1,1,3,5,7,9……叫作奇數,因此0因該稱為偶數。

2: 零是整數嗎?是正整數或負整數?
答案:
 0不屬於正整數或負整數,但它是整數,通常整數包括正整數、零、負整數三部份,所以0既不屬於正整數也不屬於負整數。

3: a0=? 00=?
答案:
在a>O情況下,a0定為1,即a0=1;但00無意義。

4:   0/0=?;0/a=?;a/0=?
答案:
在a≠0情況下,0/a =0
a≠0時0/a=0
a≠0時  a/0  = ∞;在數學上無意義,∞表示無窮大。
0/0可為任何值,在數學上也無意義。

  除以0:至詭論之路
正數愈大,其倒數愈小。正數愈小,其倒數愈大。我們可將1除以極小的數而得出極大的數字:
1/1 = 1
1/0.1=10
1/0.01= 100
1/0.001 = 1000
但為什麼不可以將1直接除以0呢?
1/0=?也許是世界上最大的數,但沒有人知道呢?同時除以零這個除式也帶來一些困擾。因為除以零在數學上無明確意義而且是自相矛盾的。假如我們做一個 360/9=40的除法,要驗算答案,有一種辦法就是把它乘回來:即9X40=360。假設有人寫出1/0而試圖求出它的意義。則它不能是一個數,因為若1/O = n,n代表某數。我們試用"乘回來"來驗證此方程式。可求得1=OXn=O。換句話說,1=0,這是不通的。此方程式不符合驗算。若任一異於0的數除以0時亦有同樣的情形。
0除0的除法又是一種例外。若寫0/0=6用"乘回法"加以驗算。0= 6X0=0,符合驗算。如果說6必是答案,又不竟然,因為0/0=9亦符合驗算。這種運算似乎暗示0/0可能為任何數,這種結果不可能有什麼用處。為了這些理由,在數學上,將除以0是廢棄不談的。
我們已知,除以零可得矛盾的結果。當它是顯而易見時,很容易避免,例如像8×0=4×0,將方程式兩端除以0得出8=4,一眼可以看出係除以零的錯誤。但是有時候"除以零"的錯誤被掩蔽而看不出來。
若設x=1[左右兩端皆用x2去減]
則x2-x = x2-1
得x(x-1) = (x-1)(x+1)
兩端皆除以(x-1);得:
x = (x+1)
以x=1代入;得:
1= 2
產生矛盾,這是兩端除以(x-l) = 0的原因。
雖然除以零不在數學的範圍內,但是玩一些符號遊戲,尤其是當他們模稜兩可且意義不完全明確時是相當有趣的。雖然這樣做相當危險,但也是發現的來源,許多數學上的重大結論都是這樣玩出來的。
我們如對1除以0作無意義的追求,企圖求得最大的數。我們所得到的,可能不是一個數。雖然不是一個數,卻是巨大的? 無可否認的,這個疑問像是很無聊,但無論如何,我們還是研究它。
關於"除以0"問題的討論,真的很有趣了,請看以下的計算。

設有相等的值,a和b,即 a=b
兩邊同乘以ab;得a2b = ab2
兩邊同減去b3得a2b – b3= ab2- b
因式分解        b(a2-b2) = b2 (a-b)
得              b(a-b)(a+b) = b2 (a-b)
兩邊同除以a-b   得b (a+b) = b2
因此            ab = O
即,2個數相等時,將該2個數乘相起來時,為零。以具體例子來說。是若7=7,則7×7=0,真是奇怪,但為什麼會發生這種事呢?又是用0去除的原因,讀者先生請回想,a=b則a-b=0,演算過程中我們使用兩邊同除以a-b ,亦即兩邊同除以0,因此產生矛盾。

現在我們回頭討論1/0=?的問題,9<1/0嗎?  l01000000000 < 1/0嗎? 我們要如何才能決定大小。如果我們處理的是普通的數字就很簡單。像25<999/4的不等式,如果將不等式的兩邊數字乘上4,檢查所得的不等式就可驗出此式是正確。即25×4 = 100 <999。現在我們從9 < 1/0開始驗證。各乘以0得9×O <1,此不等式成立。對於任何巨大的數目,我們也可以找出任何大數目乘以非常小的數目z(比0還大)使它們的積小於1。即y∙z<1,例如y是一個非常大的數目,我們馬上可找出z=1/(y+1)這麼小的數字乘以y,它們的積小於1,因此y∙z<1。即y<1/z<1/ 0(y是任何巨大數目,z非常小的值但大於0)
從上述可知,不管1/0是什麼東西,它必然是巨大的,因為它似乎比你所能說出的任意數為大。
試加1於1/0以"增大"此數。
1/0 + 1= ?
我們該怎麼加呢?如果我們處理的是普通的分數,我們會把它們放在
共同的公分母上來相加,例如:
(2/3 )+ 1= (2+1×3)/3  =5/3
如果我們如法炮製,可求得:
1/0 + 1=(1+0×1)/0 = 1/0
換句話說,不論1/0是什麼,若加1於其上,仍然不變。與一般常識相違背乎。事實上l//0是那麼大的"大",因此加上1,甚至千萬兆也不能影響它一點兒。就像大海中加上一滴水,仍然一樣。若寫出1/0+l01000,也是一樣仍然是大海中的一滴水。
100/0是不是比1/0大呢?不是它的100倍大嗎?取不等式100/0>1/0,乘上分母來驗算。出乎意料之外:100/0>l/O,此不等式不能成立。因為如果不等式成立,則發生0>0的奇怪現象。既然100/0>l/O不等式不能成立,那麼100/0=l/0,如何?將二端乘上0=0,符合驗證。同理,我們"斷定 x(任何數)/0=1/0。這些皆因為1/0是那麼大,以致乘上任何正數仍然毫無影響。
此時,對數學有所研究的讀者也許會說:「那麼,無窮大是什麼呢?是否1/0=無窮大?」將無窮大的概念化成意義明確而有用的介紹進入數學,其途徑很多。但是追根究底無窮大卻不是一個數目,它是既富魅力又富於詭詐。

三、無限大和a0=1的概念
前面已談過0不能做除數,否則會產生許多末荒謬的結果,趁著本文討論零的機會,我們打鐵趁熱,再詳細解釋無限大和a0=1的概念,算是狗尾續貂。
 無限大並不是一個數目,不能把它當作數目處理
數學上常用「無限大」這種說法,但是數學並沒有無限大這個數存在,數學上說到無限大只表是一個概念,是說它可以一直的增大,超出任何你所能說出的數目。但無論如何不能將它當作數目處理。
例如,當x以正值無限的接近0時,8/x到底怎樣變化?
x=0.1時                   8/x=80
x=0.01時                  8/x=800
x=0.001時                 8/x=8000
x=0.0001時                8/x=80000
因此可以知道,若x以正值無限接近0時,8/x無限增大,通常以:
x→0時      8/x→∞表示
在此我們要強調的是∞的存在只是一個概念,不能將它當作數目處理,否則會產量矛盾。
例如:
∞加8之後仍是∞,因此寫作:
∞+8 = ∞
若兩邊減∞,得:
8 = 0
又把∞放大10倍後,仍然∞,寫作:
10×∞= ∞
把兩邊除以∞,得:
10= 1
產生各種奇怪現象,故絕對不能將∞當作數目處理。

為什麼a0=1?
a0=1不是證明出來,而是約定a0=1。理由如下:
首先,若把a×a×a×……×a(a有m個)寫成am,則設m、n皆為正數時,am×an= am+n
其次,若設m、n為正數,且m>n,則am÷an= am-n。又設m、n為正數,則(am)n= amn。如此,可得下列指數定理:
am×an= am+n…………(1)
am÷an= am-n…………(2)
(am)n= amn…………(3)
式(2)是敘述m、n為正數,且m>n,現在我們將其擴充至所有整數值。首先,若m=n,亦即am-n= a0將如何?我們看式(2)左邊,am÷an= am÷am= 1 ,右邊am+n= a0,因此若要兩邊相等,只好定義a0= 1了。其次若n為負整數,要怎麼辦?式(2)若m=0,則左邊是a0÷an=1÷an=1/ an,而右邊則為a-n,若要二式相等,只好定義a-n=1/ an
如此定義a0= 1;a-n=1/ an,則指數定律對於m、n所有整數都成立,不管m、n是零、正或負,m大於或小於n。

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