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为什么“负负得正”?

zhao_admin8个月前 (09-22)数学课件40

是每一个上过中学的人都熟知的事实,但是即便是非常简单的“负负得正”,你有想过这是为什么吗?

1 司汤达的疑问

将财产记为正数,负债记为负数对于普通人来说确实是一件易于理解的事,这种记录方式始于7世纪的印度,它适用于加减法的运算,比如,本来有10元,支出12元,对应的算式是

这里的

对应的实际含义是“负债2元”。

然而,当要对其进行乘除法的时候,就会出现某些令人匪夷所思的问题,在12世纪,印度天文学家巴斯卡拉这样说道:“财产和财产的乘积,债金和债金的乘积均为财产,财产和债金的乘积则是债金。”根据他的说法,就有

债金

债金

财产

这个公式是什么意思呢?恐怕无人能够理解。18世纪的大数学家欧拉在其著作《代数学入门》采用过同样的说明方法,这让许多学习数学的人在初遇负数相乘问题的时候感到一头雾水。

司汤达(1783~1842)

《红与黑》的作者,19世纪法国批判现实主义作家司汤达在其年少时酷爱数学,但他同样也困惑于“负负得正”问题,他在其自传中这样写道:

似乎是由于年少的单纯,使我认为在数学中是不可能有虚假的,然而当了解了谁也没加证明的(负×负)=(正)时,该怎么办才好呢(这是代数学的基础之一)。当考虑某人有负的借款时,为何1万法郎的借款乘以500法郎借款,就会变成500万法郎的财产了呢……

实际上,司汤达提出了每一个学习代数的人都必然会提出的问题,即为什么“负负得正”?该如何直观地理解这件事?

2 从实际的角度

问题出在了对正负数的说明上。仔细想想,对于什么是财产

财产,债金

债金,恐怕谁也无法说明,因为金额再乘以金额是没有实际意义的。

M・克莱因(1908-1992)

对此,《古今数学思想》的作者,美国数学史家和数学教育家M・克莱因通过“负债模型”巧妙地说明了“负负得正”问题:

一个人每天欠债5元,从给定日期开始(比如今天)3天后欠债15元。如果将5元的负债记作

,那么“每天欠债5元,欠债3天”可以用数学来表达:

同样地,每天欠债5元,考虑这个人3天前的财产,那么就应该比今天的财产多15元。如果我们用

表示3天前,用

表示每天欠债,那么3天前他的财产情况就可以表示为

受此启发,我们也可以举出“批阅试卷”的例子来进行说明:

如果有一次考试某同学错了一道题,扣5分,则将其记为

,对应的算式是:

这里的1表示的实际含义是1道错题。

换个角度想,假若是老师批错了,那么很显然这位同学扣除的5分就会加回去了,其得分是

。1表示老师批对,那么相对应地,

则表示老师批错,对应的算式是:

上述两个例子是自然的,也是合乎情理的,可以帮助我们理解“负负得正”。

3 从运算逻辑的角度

从运算逻辑的角度来说,负负也必须要得正,因为有理数的运算必须遵循乘法分配律:

我们规定

实际上就是为了让负数的运算依然能保持乘法分配律的结果,例如:



根据乘法分配律,则有

因为

,所以对于

,其结果只能为1.

4 从几何的角度

给定



,则



均为正数。如图,则乘积

表示的实际含义是以



为两边的矩形(斜线阴影部分)的面积。

那么,这个矩形是如何变换得到的呢?实际上,它是由原来以



为两边的大矩形先取走标以水平线阴影的矩形面积

,再取走标以竖直线阴影的矩形面积

,但这样取走了两次标以双重线阴影的矩形面积

,必须将其放回,因此:

在这里如果令

,便得到

即得到了负数相乘的符号法则。

5 不能加以证明的“负负得正”

实际上,上述对“负负得正”的一些看似合理的说明充其量只是某些“解释”,而不能将其称之为严格的数学证明。特别是上面“从几何角度来说明负负得正”的例子,这样的“论证”是虚假的,因为它完全忽视了

公式之所以成立取决于不等式



,而令

则完全违背了这一点。

负数经过了很长一段时间才被人们所接受,很难相信直到17世纪其合法性还不能像正整数那样被人们所普遍承认,当有必要使用它们时,人们是相当犹疑和不安的,数学家有时将负数称为虚构数、假数之类。因为人类的天性更倾向于依附“具体”的事物,比如可数的物体(正整数)。对负数的运算毫无疑问是抽象的,为此人们曾反复地企图证明符号法则,但都失败了。

对数学家来说,经过了很长一段时间才认识到“负负得正”以及负数、分数所服从的其他定义是不能加以“证明”的。它们是我们创造出来的,为的是在保持算术基本规律的条件下使运算能够自如。能够并且必须加以证明的仅仅是:在这些定义的基础上,算术的交换律、结合律、分配律是保持不变的。

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