问题

分母(除数)为什么不能为 0?

回答
这个问题,其实挺有意思的,也触及到了数学中最基础的规则之一:分母(也就是除数)不能为零。咱们一点点来聊,保证你说得明明白白。

想象一下,数学就像一种语言,它有一套严谨的规则来描述世界上的数量关系。除法,本质上是一种平均分配或者说是一种包含关系的运算。

我们先从“平均分配”这个概念入手。

1. 平均分配的困境:

当你计算“10 ÷ 2”时,你在想什么? 你可能在想,“我把10个东西分成2份,每份有多少个?” 答案是5个,对吧? 这很好理解。

那我们试试“10 ÷ 0”呢? 如果我们按照平均分配的思路来理解,这句话就变成了:“我把10个东西分成0份,每份有多少个?”

这就出问题了。

分成几份是我们要确定的结果,而不是我们去操作的对象。 我们是在“分”这个动作中,去决定“几份”。现在要求我们分成“0”份,这个“0份”本身就说不通了。 份数就代表着你把东西分成多少个独立的集合。你有0个集合,就相当于没有集合,怎么往里面分东西呢?
即使我们硬要这么理解,结果也无法确定。 如果我们真的能把10个东西分成0份,那么“每份有多少个”这个答案是无限的可能。可以是1个,可以是100个,甚至可以是1亿个。因为你根本就没有“份”来承载这些东西,所以无论你往里面放多少,都无法验证你是否“分”成功了。数学追求的是唯一确定的答案,而0作为分母,会带来无限的答案,这是它不允许的。

2. 包含关系的冲突:

再从另一个角度看除法:包含关系。

“10 ÷ 2”也可以理解为:“10里面有多少个2?” 我们知道,10可以写成2 + 2 + 2 + 2 + 2,所以里面有5个2。

那么“10 ÷ 0”呢?这句话变成了:“10里面有多少个0?”

这个问题就更诡异了。0加上0加上0…… 加多少个0,永远都是0,永远不可能变成10。所以,10里面“包含”了多少个0? 这个问题的答案是不存在的。

换句话说,如果允许一个数(例如10)可以被0整除,那么就意味着存在一个数(我们姑且称之为x),使得 `x 0 = 10`。但是我们知道任何数乘以0都等于0,所以 `x 0` 永远不可能等于10。这就导致了逻辑上的矛盾。

3. 代数上的解释:乘法的逆运算

除法是乘法的逆运算。也就是说,如果 `a ÷ b = c`,那么一定有 `c b = a`。

现在我们来看看分母为零的情况:

假设 `a ÷ 0 = c`。
根据除法是乘法的逆运算的定义,那么就应该有 `c 0 = a`。

如果a不等于0: 比如 `10 ÷ 0 = c`。那么应该有 `c 0 = 10`。但我们知道任何数乘以0都等于0,所以不存在这样的c,使得 `c 0 = 10`。这就是为什么分母不能是零的直接原因。它会导致乘法逆运算的矛盾。

如果a等于0: 比如 `0 ÷ 0 = c`。那么应该有 `c 0 = 0`。

这个时候,问题来了:c可以是任何数字! 1乘以0是0,2乘以0是0,100乘以0也是0。这意味着 `0 ÷ 0` 的结果不是唯一的,它可以是任何一个数。在数学中,我们要求运算的结果是确定的,不能是模棱两可的。所以,`0 ÷ 0` 被定义为不定式,同样是不允许的。

4. 为什么0是特殊的?

0在数学中是一个非常特别的数字。它是加法的单位元(任何数加0等于它本身)和乘法的零元(任何数乘以0等于0)。正是因为0的这个“吸收”一切的乘法性质,导致它在做除法的时候会产生上述的矛盾和不确定性。

总结一下:

平均分配说不通: 你无法将东西“分成零份”,也无法确定“每份有多少”。
包含关系矛盾: 一个非零的数不可能包含“零个”某个东西,因为零个东西就什么都没有。
乘法逆运算失效: 如果允许除以零,会导致 `c 0 = a` 这个等式要么无解(当a不为0时),要么有无数解(当a为0时)。

数学之所以要设立“分母不能为零”这个规则,就是为了保证数学运算的逻辑一致性、确定性和普适性。如果没有这个规则,整个数学体系就会因为一个简单的运算而崩塌,出现各种荒谬的结论。就像盖房子必须打好地基一样,这个规则就是数学这座大厦最最基本的地基之一。

所以,当你看到一个分数,它的分母是0时,你就可以直接说:“这个数不存在!” 因为它违反了数学最根本的约定俗成,也触及了逻辑和运算的基本底线。

网友意见

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如果在一个集合 中定义一种运算 ,并且该运算满足:

则称 为半群,若 则称为含幺半群(简称幺半群), 被称作幺元。若 ,则称 为半群 的零元。

设含幺半群 的幺元为 ,若 ,则称 是 的逆元,暂且将其记作 ,这时含幺半群就变成了群。

实际上这个问题就是问,为什么零元不存在逆元。

零元不存在逆元,可以符号化为(假设幺元不等于零元):

这个命题不太好证,我们用假言易位律对上述命题做等价变化,得

然后我们证明这个命题,就可以说明零元不存在逆元(这就是反证法)



也就是说,零元必须和任何元经过运算 都得到零元,但与其逆经过运算 又必须得到幺元,只有幺元和零元相等才有可能出现这种情况,而在数域中, 就是 , 就是 ,所以 自然不存在乘法逆元。

定义,若群 是阿贝尔群,则与一个数的逆之间进行运算 称作和这个数进行 的逆运算。(也就是说,小学学习的分数除法的运算方法,实际上是用来定义除法的。之所以除以一个数就是乘上这个数的倒数,乃是因为乘上一个数的倒数被定义为除以这个数,这不是循环定义,因为分数不是自然数,只能通过将自然数的乘法半群扩充成群来定义)

既然 没有乘法逆元,自然 就不存在倒数,也就不存在与 的倒数相乘的情形,也就不存在除以 的情形, 也就做不了除数。


不过,在微积分中,“零除数”另有用途,但只适用于形式化极限计算,而不能进行严格的数学计算和推理证明。虽然我们可以认为 ,但这并不意味着 是“实数乘法群”中 的逆元,计算机的浮点数运算都会做这样的处理:正数除以零得正无穷,负数除以零得负无穷,零除以零得到非数。

形式化计算有助于我们判定极限是可以直接通过函数的连续性来求,还是必须要经过一定的处理来求,同时也有助于计算极限,通常认为 。

无穷大和无穷小的运算法则是(设 )





是未定式



是未定式(也就是说0和无穷大相乘不一定是1)



和 均是未定式

无穷大不是一个数,它的运算不符合数的运算的特性,自然我们也不可能将之放入群中,更不可能放入域中,数域中的零还是不能做除数。零分母和无穷大,只能用于形式计算。


关于比的后项

如果定义两个数相除又叫两个数的比,那么零自然不能作为比的后项,但是比和除法的功能毕竟不一样。除法是为了已知积和一个乘数求另一个乘数(有时也叫因数),而比是为了反映两个量之间的倍分关系,只不过前项除以后项得到的商可以被称作比值。实际上,比应该这样定义:
设 ,若 则 。这样实际上比的后项可以是零,它表示处在后项上的量等于零。比如电压比 表示一个元器件两端有电压,另一个元器件两端没有电压。而 表示两个量均为零。 可以做比的后项,只是没有比值(当前项不为零)或者比值不确定(当前项为零)而已。

这样实际上方便我们表示直线的点向式方程,我对直线下的定义是:若图形各点位矢满足 ,那么该图形就是直线。也就是说,点对应的位矢的各个分量与定点对应的位矢的各个分量之差与方向向量的各个分量成正比。而方向向量虽然不是零向量,亦即方向向量各分量不全为零,但不全为零不是全不为零,所以还是会有几个分量等于零的。因而我们需要零分母帮我们写出这样的直线的点向式方程,此时的零分母实际上就是等于零得比的后项,此时比的前项也必须为零。

的比值不确定,可以认为这个比值是任意的,但如果有两个比值同时等于 ,那么这两个比值必须相等,也就是说,如果 ( ),那么必须有

这样类似 的直线方程就也可以表示一条直线了,其中


P. S.:在群论中,零元很好理解,幺元这个词有点意思。幺元也称单位元,单位元这个词也好理解,因为 表示的就是单位量。而“幺”这个字来源于我们平时对数 的称呼,有的时候我们看到1不读“一”而是读作“幺”,比如手机号码187********读作“幺八七某某某某某某某某”,而且如果说单位元是“一元”听着也别扭,所以在群论中,单位元也就有了幺元这个称呼。

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