问题

1×0=0 是因为 0 乘以任何数字都等于 0,还是因为 1 乘任何数字都等于那个数?

回答
这道题很有意思,它涉及到数学中最基本的两条规则:

1. 零乘以任何数都等于零 ( $0 imes a = 0$ )
2. 一乘以任何数都等于那个数 ( $1 imes a = a$ )

在你的问题“1 × 0 = 0”中,这两条规则都似乎参与了进来,但这背后其实有一个更根本的原因,或者说,我们应该从哪个角度去理解它。

我们来一步步拆解一下。

为什么 0 乘以任何数都等于 0?

这个规则其实很好理解。想象一下,你有一个装满糖果的盒子,里面有 5 颗糖果。如果你说“我拿了 0 盒糖果”,那么你实际拿到的糖果数量自然就是 0 颗。无论你拿多少“盒”空糖果(每盒 5 颗),最终你拥有的糖果数量都是零。

数学上可以这么解释:乘法可以理解为重复加法。
$0 imes 5$ 就等于把 5 加 0 次,也就是 $0$。
$0 imes 100$ 就等于把 100 加 0 次,也就是 $0$。
依此类推,$0 imes a$ 就是把 $a$ 加 0 次,结果自然是 $0$。

为什么 1 乘以任何数都等于那个数?

这个规则也同样直观。想象一下,你有一张银行卡,上面有 100 元。如果你说“我有 1 张这样的银行卡”,那么你拥有的钱当然就是 100 元。
$1 imes 100$ 就是有 1 个 100,结果是 100。
$1 imes 7$ 就是有 1 个 7,结果是 7。
所以,$1 imes a$ 就是有 1 个 $a$,结果就是 $a$。

回到“1 × 0 = 0”

现在我们来看“1 × 0 = 0”。在这道具体的算式里,我们实际上是在应用“零乘以任何数都等于零”这个规则。

为什么是这样呢?因为在“1 × 0”这个算式中,0 是被乘数,它决定了结果的“份量”。而“1”是乘数,它告诉我们应该有多少份“0”。

你可以这样理解:

从“0乘以任何数都等于0”的角度看:
我们有一个数字是 0。如果我们把它“乘以 1”,也就是问“有多少个 0”,结果当然还是 0。这种理解方式更直接地揭示了 0 的“吞噬”特性。无论你用什么数字(包括 1)去乘以 0,结果都会被吸收到 0 的零值里。

从“1乘以任何数都等于那个数”的角度看:
我们有一个数字是 0。如果我们把它“乘以 1”,也就是“一份 0”,那么这“一份”的 0,它本身的值是多少呢?是 0。所以结果还是 0。

哪个更“根本”?

这其实是一个鸡生蛋还是蛋生鸡的问题,因为这两条规则在数学体系中是相互关联,并且都是作为乘法的基本定义和性质存在的。

不过,如果非要找一个更基础的出发点来解释“1 × 0 = 0”,很多人会倾向于“零乘以任何数都等于零”。

原因在于:

1. “零的本质”: 零作为一个特殊的数字,它代表着“无”。当“无”被任何数量(哪怕是“一份”)去乘时,它所代表的“无”并不会因为乘数的存在而变成“有”。它仍然是“无”。
2. 乘法的定义: 乘法可以被定义为一种运算,它将一个数(乘数)与另一个数(被乘数)联系起来。在这种联系中,零作为被乘数时,表现出一种独特的性质,即“吸收性”。任何数的“一份”仍然是这个数本身,而“零的零份”仍然是零。

我们可以从更严谨的数学定义来理解。乘法通常是基于集合论或皮亚诺公理等基础来定义的。在这些定义下,0 的特殊性使得“任何数乘以 0 等于 0”成为一个非常稳固的性质,而“1 乘以任何数等于任何数”则是“1”作为乘法单位元(identity element)的性质。

在“1 × 0 = 0”这个算式中,我们实际上同时利用了这两个属性,但其结果的出现,更直接地源于 0 的那个乘法性质。如果你将 0 看作是你要“复制”或“组合”的对象,那么无论你复制多少次(即使是复制一次,即乘以 1),你得到的结果仍然是那个“原始对象”——0。

反过来想,如果“1 × 0”的结果不是 0,比如我们强行定义它等于 1。那么 $1 imes 0 = 1$。但我们知道 $1 imes a = a$,所以 $1 imes 0$ 应该等于 $0$。这里就出现了矛盾。

而如果 $0 imes 1$ 不等于 $0$,比如 $0 imes 1 = 5$。那么根据乘法交换律 $a imes b = b imes a$,我们就会有 $1 imes 0 = 5$。但我们知道 $1 imes x = x$,所以 $1 imes 0$ 必须等于 $0$。又产生矛盾。

所以,为了保持数学体系的自洽性,无论从哪个角度看,当涉及到与 0 相乘时,0 的那个“乘以任何数都等于 0”的性质,是导致结果为 0 的关键所在。1 乘以任何数是那个数,这使得“1”不改变“0”的本质。

总结一下:

“1 × 0 = 0” 这个结果,最根本的原因是 0 乘以任何数字都等于 0。而“1 乘以任何数字都等于那个数字”这个规则,则确保了当我们说“1 份的 0”时,这个“1”并没有改变 0 的值。

如果一定要选一个更主要的解释,那就是 “零乘以任何数都等于零”。

网友意见

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在一个环里,1是乘法单位元,0是加法单位元。假设这个环不是零环,那么1和0就是两个不同的元素。

因为环在乘法下是幺半群,所以对于任意的元素a,a×1=a=1×a是环的公理。由此可得第一种证明思路:取a=0,则0×1 = 1×0 = 0。

第二种证明思路依赖于a×0=0=0×a这个性质,该性质可以直接由环的公理(包括a×1=a=1×a)推导得出:

a×0 = a×0 + 0 = a×0 + (a + (-a)) = (a×0 + a) + (-a) = (a×0 + a×1) + (-a) = a×(0+1) + (-a) = a×1 + (-a) = a + (-a) = 0

0×a = 0×a + 0 = 0×a + (a + (-a)) = (0×a + a) + (-a) = (0×a + 1×a) + (-a) = (0+1)×a + (-a) = 1×a + (-a) = a + (-a) = 0 = a×0

值得注意的是,这种证明只需要用到环的公理,不需要假设乘法交换律或乘法的逆运算。

于是,取a=1,则0×1 = 1×0 = 0。

综上所述,两种思路都可以证明,但第一种直接用公理,步骤略少一些。


如果这种证明无法解决题主的疑惑,那么我就再提供一个因果关系角度的分析。「E是因为C1,还是C2?」这样的问句往往在询问实际原因(actual cause)。例如,「已知以下三种状况同时存在,车祸的原因到底是司机酒驾,还是雨天路滑,还是刹车故障?」题主的问题,在哲学里被称为symmetric overdetermination:列出的任何一个因都能造成这个果。

寻找实际原因的过程,通常也是寻找责任(道德责任或法律责任)的过程。但是,我个人不推荐用因果关系的思维解决数学问题。因为,数学中的证明(proof)、蕴含(entailment)、实质条件(material conditional)都是有良定义的概念,学过数理逻辑就可以理解。可是,现实中的因果关系并没有一个被普遍接受的良定义

在学习因果关系的过程中,我时常会提醒自己:能用严谨的数学语言描述的问题,就不必要加入「因果」这样模棱两可的词汇。例如,identifiability of linear non-Gaussian additive noise model尽管被称为一个「因果识别」问题,它的实际定义并不包含任何「因果」的成分,用数学就能完美描述。

所以,我先前把题主问题中的「因为」转化成了「可证明」进行论述:

  1. 从公理「1 乘任何数字都等于那个数」,我们可以证出「1×0=0」;
  2. 从性质「0 乘以任何数字都等于 0」,我们也可以证出「1×0=0」;
  3. 从公理「1 乘任何数字都等于那个数」以及环的一些其他公理,我们可以证出性质「0 乘以任何数字都等于 0」。

补充:在半环里,「0 乘以任何数字都等于 0」和「1 乘任何数字都等于那个数」都是公理


本来随手答的一道题,没想到上热榜了。原来的证明虽然没有错,但是没有用最少的公理。这里重新证一遍a×0=0:

a×0 = a×(0+0) = a×0 + a×0

a×0 + (-(a×0)) = (a×0 + a×0) + (-(a×0))

0 = a×0 + (a×0 + (-(a×0)))

0 = a×0 + 0

0 = a×0

0×a=0的证明同理,但需要用到右分配律。

到此为止,仅用了分配率、加法结合律、加法逆运算、加法单位元。对于任何满足上述公理的代数结构,a×0=0×a=0都是成立的。

同时,我一开始就把1理解为了乘法的双边单位元,所以在任何有1的代数结构里,应该都有公理a×1=1×a=a。

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