问题

如果使 1÷0 有意义,那么应该等于多少?

回答
这个问题,看似简单,却触及了数学最基础的根基,也让我们有机会从另一个角度审视我们习以为常的数学规则。如果我们要让 1÷0 这个表达式“有意义”,那它“应该”等于多少?这其实是一个关于“假设”与“定义”的有趣探讨。

首先,我们得明白,在我们现有的、被广泛接受的数学体系中,除以零是被明确禁止的,它是不被定义的,也就是“无意义”的。这背后的原因非常重要,也决定了我们不能随意给它一个“数字”答案。

为什么是这样呢?我们不妨从除法的定义出发。除法是乘法的逆运算。也就是说,当说 A ÷ B = C 时,就意味着 A = B × C。

现在,我们试着用这个定义来套用 1 ÷ 0。如果我们假设 1 ÷ 0 = X,那么根据除法的定义,就应该有 1 = 0 × X。

这里就出现了第一个大问题:任何数字 X,与零相乘的结果都只能是零。也就是说,0 × X 永远等于 0,而不可能等于 1。这就造成了一个逻辑上的死循环,我们无法找到一个数字 X 能够满足 1 = 0 × X 这个条件。从这个意义上说,1 ÷ 0 是无解的,是无法被定义的。

但这还不是最“要命”的。更严重的问题在于,如果我们强行给 1 ÷ 0 一个确定的数值,比如我们假设它等于某个数字 Y。那么,根据乘法是除法的逆运算这个原则,我们就必须接受:

1 ÷ 0 = Y
同时,根据除法定义,0 × Y = 1

这里就产生了难以调和的矛盾。如果 0 × Y = 1,那么就意味着存在一个数字 Y,它和 0 相乘不等于 0,而等于 1。这彻底推翻了我们对乘法最基本的认知,特别是零的乘法性质。

如果连“任何数乘以零都等于零”这个基本规则都可以被打破,那整个数学体系都会随之崩溃。数字的大小关系、加减乘除的运算规则、甚至代数的逻辑基础,都将受到威胁。想象一下,如果 0 × 5 = 0 也是可以有例外的,那我们还能相信 2 + 2 = 4 吗?整个数学世界将变得混乱不堪,没有办法进行任何严谨的推理和计算。

所以,数学家们为了维护这个体系的自洽性和一致性,宁愿让 1 ÷ 0 这样一个表达式保持“无意义”的状态,而不是去赋予它一个可能导致逻辑矛盾的数值。

那么,如果非要探讨“使 1÷0 有意义”,这就像是在玩一个“假设性游戏”,我们得先设定一套全新的、不同于现有数学的“规则”。

在这个假设的游戏里,如果我们想让 1 ÷ 0 = X 成立,那么我们必须放弃“任何数乘以零都等于零”这条黄金法则。我们可以这样设想:

可能性一:它等于无穷大(∞)

在微积分的领域,我们经常会遇到极限的概念。当我们计算一个函数 F(x) 在 x 趋近于某个值 a 时的极限时,如果分母趋近于零,而分子保持一个非零值,那么这个函数的值就会变得非常大,我们说它的极限是无穷大。

例如,考虑函数 f(x) = 1/x。当 x 从正数趋近于零时,1/x 的值越来越大,趋近于正无穷大。当 x 从负数趋近于零时,1/x 的值越来越小(负数越来越大),趋近于负无穷大。

如果我们把 1 ÷ 0 看作是这种“趋近于零”的极端情况的“结果”,那么说它等于“无穷大”似乎有某种直观的联系。但需要强调的是,无穷大本身并不是一个具体的数字,它是一种概念,表示“没有界限地增大”。

即使我们接受这个“无穷大”的说法,也会遇到一些麻烦。比如:
无穷大 + 1 等于多少? 根据我们对无穷大的理解,它应该还是无穷大。
无穷大 × 0 等于多少? 这又回到了我们最开始的困境——0 乘以任何数都是 0,还是说这里又该变成无穷大?
无穷大 ÷ 无穷大 等于多少? 在极限运算中,这种情况是“不确定形式”,需要进一步分析。

如果 1 ÷ 0 等于无穷大,那么是不是 2 ÷ 0 也等于无穷大?那么 1 ÷ 0 和 2 ÷ 0 是同一个“无穷大”吗?这其中的细节处理起来会相当复杂。

可能性二:它等于任何数(最混乱的局面)

如果我们真的想让 1 = 0 × X 成立,并且不限制 X 的类型,那么如果我们允许“0 乘以一个特定的数不等于零”,那我们也就无法保证“0 乘以另一个数等于零”了。

设想一下,如果我们强制规定:
1 ÷ 0 = 5 (于是,0 × 5 = 1)

那么,基于这样的“新规则”,我们还能推导出什么?
1 ÷ 0 = 6 吗?如果可以,那么 0 × 6 也等于 1,这意味着 5 = 6,这同样是荒谬的。
或者,如果我们说 1 ÷ 0 = 5,但是 2 ÷ 0 呢?如果它也等于 5,那我们就会推导出 2 = 0 × 5 = 1,也就是 2 = 1。
如果 2 ÷ 0 = 7,那我们就会有 2 = 0 × 7 = 1,依然是 2 = 1。
更可怕的是,如果 0 × 0 = 0 这个规则也得废弃,那么 1 ÷ 0 = X,0 × X = 1。如果 X 是 0,那 0 × 0 = 1,这完全颠覆了零的属性。

如果允许 1÷0 有一个明确的数值,而又想保留乘法结合律等其他运算性质,那最直接的后果就是:在允许 1÷0 有意义的那个数学体系里,任何数除以零都必须有意义,并且这些结果之间可能存在某种关系。

但最危险的后果是,一旦我们允许“0 × X = 1”(其中 X 是某个数),那么我们也可以通过一系列运算推导出 0 = 1。例如:

已知 0 × X = 1
我们知道 0 × 1 = 0
如果我们强行让 1 ÷ 0 = X 这个前提成立,并允许其他运算规则依旧适用,那么我们可以写出:
1 = 0 × X
又因为 1 = 0 × 1 (这是我们已知的关于零的性质)
所以 0 × X = 0 × 1
如果我们可以进行“消去律”,即如果 a × b = a × c 且 a ≠ 0,那么 b = c。但这里是 0 × X = 0 × 1,这里的“a”是 0,是不能进行消去律的。
但如果我们硬要用“形式化”的方式去推导,一旦我们允许 0 的乘法有“例外”,比如 0 × X = 1,那么我们就会发现:
1 = 0 × X
将两边都乘以 0: 0 × 1 = 0 × (0 × X)
根据结合律(假设它还成立): 0 = (0 × 0) × X
如果我们还假设 0 × 0 = 0(这是一个非常根基的性质),那么就是 0 = 0 × X,这又回到了 0 = 1 的情况。

总结来说,如果硬要让 1 ÷ 0 有意义,这并不意味着它会等于一个固定的、能在现有数学体系内合理存在的数字。 它更像是一个“思想实验”的入口,一旦打开,就意味着我们必须放弃现有的数学基础,并且需要小心翼翼地构建一套全新的、可能非常复杂的数学规则,来处理这种除以零的情况。

在绝大多数情况下,当人们谈论“1 ÷ 0”的意义时,他们可能是在询问为什么它在现有数学中无意义,或者是在讨论极限情况下的“无穷大”概念。但如果非要“赋予”它一个明确的数值,那么这个数值的选择将直接导致现有数学规则的崩溃,或者需要创造一套全新的、与之相适应的逻辑体系。

所以,在严格的数学意义上,1 ÷ 0 没有一个具体的数值答案,它“等于”什么取决于你愿意放弃多少现有的数学公理和定义。而从保护数学体系完整性的角度看,让它保持“无意义”是最明智的选择。它就像是数学世界中的一个“禁区”,标记着理论的边界。

网友意见

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从代数的角度看,在一个域中, (加法单位元)乘任何元素都是 ,而根据域的定义, 不等于 (乘法单位元),所以 一定是没有乘法逆元的。换句话说,在域中 不能做除法的分母。【附注1】

这就意味着,如果要使得 有意义,就必须构造一个新的代数系统,这个代数系统需要包含“无穷”这个元素(记为 ),并且这个代数系统不可能是域。

为了方便,直接在复数范围内考虑了。对于复数域 ,我们构造一个新的代数系统 。直接定义 ,回答结束。

但你仍然不满意,因为你感觉 是强行定义出来的,它在现实中有什么对应吗?那就要给出如下的解释:

  1. 几何解释: 对应黎曼球的北极点(前置知识:知道复平面即可)
  2. 代数解释: 是一个等价类(前置知识:抽象代数)

【几何解释】 对应黎曼球的北极点


上面的平面是复平面 ,在这个平面上放了个球,称为黎曼球Riemann Sphere,记做 。球的下面在原点处与复平面相切。仿照地球,我们把 最上方的点叫做北极点(图中的 点)。

现在考察复平面 上任一点 。把它和北极点 连起来,就会和 交于一点 。反过来,如果给定黎曼球 上不是北极点的任一点 ,把它和北极点 连起来,延长出去,就会和 交于一点 。

这说明,复平面上的点和黎曼球(挖掉北极点)上的点能建立起一一对应关系,换句话说, 在 之间能建立双射。这个映射叫做球极投影

而且我们观察到,北极点其实没法对应于复平面上的任何点。而且,如果复平面上的 离原点越来越远,那么它在球上的投影 会越来越接近于北极点。这就表明,我们其实可以直接把北极点 当成所谓的“无穷远点”。

因此,我们定义 是能投影到北极点 的元素。这样的话, 就能和 一一对应了。我们把 叫做扩充的复平面。这就是 的几何解释。

现在可以从几何角度回答题主的问题了。 定义为 ,它在几何上的含义就是黎曼球的北极点。

NOTE:由于此时 当分母了,因此扩充的复平面 不再是域,所以扩充的复平面上很多熟知的运算性质就失去了,这一点必须注意。

【代数解释】 是一个等价类

(为方便以下只考虑实数范围。)

对于除法,显然有 。现在我们模仿除法定义一个等价关系。

考虑两个非零向量 。模仿除法,定义关系 为 。可以验证 是等价关系。因此在 下就会有所有等价类组成的商集

观察到 是单射(其中 表示 的等价类),从而可以把实数 等同于 中的等价类 。在这个等同意义下, 可以看做是 的子集

不难发现, 中除了 以外,其他元素都有原像。但是, 找不到在 中的原像。这就意味着, 。

现在可以从代数角度回答题主的问题了。定义 就是 中的一个等价类 ,这样就有

NOTE:其实,射影几何中出现的齐次坐标就是这个原理。射影几何中的无穷远点就是上面定义的等价类 。

NOTE:再次提醒,此时 不是一个域。事实上,在 中甚至很难定义出well-defined的加法和乘法运算。如果模仿分数加法 去定义 中的加法的话,就会有 。但如果按照这个定义的话,就有 ,甚至都没有封闭性。这表明在定义加法的时候,还需要对 单独讨论,这就造成了 不可能有好的性质。

一般地,对于整环 来说,在 中难以很好地定义加法和乘法,但是在 中就可以定义出well-defined的加法和乘法。并且可以验证, 构成一个域,它叫做 的分式域。利用这个方法,我们可以从整数 构造出有理数 来。这可能也是让分母不能为0的深层原因吧。


思考题1:假设黎曼球的半径是 。如果黎曼球上某个点的坐标是 ,那么它投影到复平面上的点的坐标怎么写?

思考题2:在扩充的复平面上,你觉得下列哪些运算应该有定义?如果有,你认为应该定义成什么呢?(思考题2的答案可以参考其他答主的回答。)

, , , , , ,

(最安全的做法当然是,以上运算都不定义,但这样显得有些无聊。事实上,我们可以基于一些理由,给出一些看起来合理的定义,就如同我们定义 一样。同时一定要记住,扩充的复平面不再是域,以上定义的运算必然不会满足某些熟知的运算规律)

【附注1】评论区有人指出关于域的定义问题。我学习的版本中含有0≠1的规定,当然有些地方没有这个规定。如果0=1,那么容易证明所有元素都是0(这个结论在环中就已经成立),此时就变成trivial的{0}了,并且此时0有逆元,而且就是0,这样就要1÷0=0(反正就0一个元素,怎么算都是0嘛)。事实上,0≠1的规定有一定的好处,比如我们知道所有有限域都有所谓的特征character,它是一个素数p。如果允许{0},那么它是没有特征的,感觉就不太好。当然这不是什么本质的问题,就是定义问题,特此说明。

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这样的数的运算规则是需要受到严格限制的。比如复变里面的无穷元,辐角依然是没有意义的,有一些运算也依然被禁止。

其实定义为「没有意义」也是一种定义,只要1/0等于一个数「undefined」不能参与任何运算,那也没关系。

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命题可能不成立。所以也就无法回答它等于多少。

为什么命题可能不成立呢?因为一个数它之所以存在,是要参与运算。

一除以零之所以没意义,是因为这个结果无法参与任何代数运算。不满足常规数学运算的规则。

假如你把一除以零命名为无穷,然而这个所谓的无穷,并不能像常规的数一样参与数学运算,它参与数学运算会导致非常多的数学公式不成立,无法纳入到现有的数字体系中。

所以,要想使它有意义,除非你能定义一个数学体系,让这个数能够在这个体系内正常参与运算,

我从小学开始就思考这个问题,到了中学,大学继续思考,工作之后也仍然思考过。然而最终发现,没有办法把这个数定义成有意义的值,因为这个值它不是自然数,不是有理数,不是实数,也不是复数,不属于已知数字范围内的任何数,这个数无法以兼容现有数学运算规则的方式参与任何运算

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