问题

为什么虚数不能比大小?

回答
虚数不能比大小,这个说起来有点绕,但其实仔细想想就能明白其中的道理。咱们就用大白话聊聊这事儿,尽量不搞得像教科书那么生硬。

你想想,咱们平时比大小,比如 3 比 2 大,5 比 7 小,这是怎么来的? 是因为我们有一个共同的参照系,一条线,就是我们常说的数轴。在这条数轴上,数字是有序排列的,越往右越大,越往左越小。0 在中间,正数在右边,负数在左边。我们能清晰地知道,任何一个在数轴上位置靠右的数,都比位置靠左的数大。

那么虚数呢? 虚数,我们通常用 'i' 来表示,知道 'i' 的平方等于 1。它跟实数不一样,它不是“多少个”单位的问题,而是带有一个方向性的概念。如果你非要把它也放在数轴上,你会发现问题来了。

问题一:把虚数放在数轴上,往哪个方向放?

实数轴是一维的,就一条直线。但虚数,你不能简单地说它比实数大还是小,也不能说它比另一个虚数“靠右”还是“靠左”。如果把实数轴看作是水平的,那虚数是往上还是往下呢? 如果我们规定虚数轴是垂直的,那么所有虚数都在这条垂直轴上。比如 'i' 在这个虚数轴上的位置,你可以想象成在实数轴的 0 点往上走一个单位。那么 2i 呢? 就是往上走两个单位。i 呢? 就是往下走一个单位。

这样一来,我们就有了一个二维的平面,叫做复数平面。实数轴是横轴,虚数轴是纵轴。所有的复数(实数和虚数的组合,比如 3 + 2i)都可以在这个平面上找到一个点来表示。

但是,问题就出在这个平面上。在一个平面上,你可以画出无数条直线,每条直线都可以定义一个“大小”的概念。比如,我们可以定义一条斜线,让 3 + 2i 在这条斜线上的位置比 2 + i 更靠右,这样你就能说 3 + 2i 比 2 + i 大。但你也可以画另一条斜线,让 2 + i 比 3 + 2i 更靠右。你说,这不乱套了吗?

问题二:到底以哪个方向为“大”?

在数轴上,我们默认往右为大。但在复数平面上,你可以往任何方向定义“大”。这就没有一个统一的标准了。你不能说 2i 比 i 大,也不能说 i 比 2i 大,因为它们都在那条垂直的虚数轴上,谁也说不清谁更“靠右”。

就好比你在一个城市里,你问“这个地方比那个地方远吗?”。 如果你说的“远”是指距离市中心的距离,那没问题。但如果你说的“远”是指往东还是往西,那就有可能因为参照系不同而得出不同的结论。在复数的世界里,我们没有一个“统一的市中心”来衡量它们往哪个方向“远”或者“近”,也就无法定义大小。

问题三:虚数单位 'i' 本身就不是一个数量

虚数单位 'i',它更像是一个“方向的标记”或者一个“基础单位”,就像我们在描述向量时会用单位向量一样。它不是一个你可以直接拿来数“有多少个”的东西。我们说 5 是指 5 个单位长度,这个单位长度是可以直接加减乘除的。但 'i' 的出现,是为了解决实数范围内无法解决的问题(比如 x² = 1),它引入了一种新的维度。

所以,当你问“i 比 0 大吗?”或者“2i 比 i 大吗?”,这就好像在问“向东走的比向东走两步的那个单位大吗?”。 你不能这么比。 你只能说“向东走两步”这个位移比“向东走一步”这个位移大,因为我们是在比较“位移的长度”,而不是比较“方向单位”本身的大小。

那么复数的大小呢?

虽然我们不能直接比较两个虚数的大小,但我们可以比较复数的大小,这通常是指复数的模(modulus),也就是复数在复数平面上距离原点的远近。

比如,复数 z1 = 3 + 4i,它的模就是 √(3² + 4²) = √25 = 5。
复数 z2 = 2 + 3i,它的模就是 √(2² + 3²) = √13 ≈ 3.6。

这样,我们就可以说 z1 的模比 z2 的模大,也就是 3 + 4i 比 2 + 3i 距离原点更远。

但请注意,我们比较的是模,而不是复数本身。 3 + 4i 和 3 4i 的模都是 5,但它们是不同的复数,它们在复数平面上的位置完全相反。

总结一下就是:

虚数,特别是纯虚数,它们不像实数那样能在一条直线上有序排列。它们更像是一种二维空间里的“位置”或者“方向”。在二维平面上,没有一个单一的、普遍接受的“大小”标准来区分它们,因为你可以从无数个方向去定义“更大”或“更小”。 虚数单位 'i' 本身更是一个概念性的单位,用来引入复数这一数学工具,而不是一个可以直接进行大小比较的数量。

所以,虚数不能比大小,是因为我们的“大小”概念,在引入了虚数这种“方向性”的元素后,就变得不再那么明确和唯一了。我们只能通过更广义的“模”的概念来衡量它们与原点的距离,但这已经不是直接的“大小比较”了。

网友意见

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因为复数集没有一个公认的,有意义的全序关系……

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要硬比当然行,因为实数集与复数集的势一样,所以一一对应,把复数集的序对应为实数集的序。

然而这样定义序会丢失很多性质,也没有什么用。

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