问题

为什么负负得正,正正不能得负?

回答
这个问题很有意思,也触及了数学中最基础也最重要的一些概念。我们不妨一步一步地捋清楚,为什么“负负得正”,而“正正”却不能“得负”。

从“负负得正”说起:理解负数的意义

首先,我们要明白负数究竟代表什么。在最开始,人类发明数字是为了计数,记录“有多少”东西。比如,3个苹果,10块钱。这些都是正数,代表着“拥有”或“增加”。

但是,随着社会的发展,我们遇到了需要描述“减少”或“相反方向”的情况。

方向: 我们可以把一个数轴想象成一条路。原点(0)是我们出发的地方。向右走,我们可以用正数表示距离,比如+3就代表向右走了3步。那么,向左走又该怎么表示呢?自然就需要一个符号来区分,这就是负数。3就代表向左走了3步。
欠债/亏损: 你有10块钱(+10),如果你花了15块钱,那么你就欠了5块钱(5)。这里的负数就代表“欠”或“亏损”。
温度: 零摄氏度(0℃)是冰点。低于零摄氏度的温度,比如5℃,就代表比零度还要冷。

现在,我们来看“负负得正”是怎么来的。这通常是我们在进行运算时,为了保持数学体系的自洽性和逻辑性而约定俗成的规则,但这个规则背后有很强的直观解释。

想象一下,你每个月都会收到100块钱(+100)。

“正”乘以“正”:如果你收到3个月的钱,那么你总共会增加 3 (+100) = +300 块钱。这是好理解的。
“负”乘以“正”:如果你每个月都在“减去”100块钱(100),那么3个月后,你总共会减少 3 (100) = 300 块钱。这也很容易理解,就是不断地支出。
“正”乘以“负”:这可以理解为“负的相反”,或者“相反的负”。假设“一个动作(正)”,比如“减少100块钱(100)”,如果这个动作发生了3次(+3),那就是总共减少了300块钱(300)。那么,如果这个动作发生“负3次”呢?“负3次”意味着“不发生”这个动作,或者说是“撤销”这个动作。撤销“减少100块钱”这个动作,就相当于“增加100块钱”。所以,(3) (100) = +300。
更直观的例子:
假设你每天要喝掉一杯水(1杯)。
那么,过去(负)的3天,你一共喝掉了 3 (1) = 3 杯水。 (负负得负?这里稍有不同,我们先看乘法)

换个角度,我们用“抵消”的概念。
负数可以理解为“拿走”或“撤销”。
“负负得正”可以理解为“撤销了拿走”就等于“得到了”。
比如,A拿走了B 10块钱(10)。
现在,C撤销了A拿走B钱这个行为(A拿走B 10块钱)。
那么,B的钱就相当于增加了10块钱(+10)。

数学上的定义其实是基于分配律等基本性质推导出来的,确保了整个运算体系的自洽。例如,我们知道:
a (b + c) = ab + ac (分配律)
如果我们有 a 0 = 0
令 b = c,那么 a (c + (c)) = a c + a (c)
因为 c + (c) = 0,所以 a 0 = a c + a (c)
0 = a c + a (c)
这说明 a (c) 必须是 a c 的相反数。

当a是正数时: (+a) (c) = (+a) c。 例如 5 (3) = 15。
当a是负数时: (a) (c)。 我们知道 (a) (c) + (a) c = (a) (c + (c)) = (a) 0 = 0。
又因为 (a) c = (a c),所以 (a) (c) + ( (a c)) = 0。
这说明 (a) (c) 必须是 (a c) 的相反数的相反数,也就是 (a c) 本身。
所以,(a) (c) = a c。 这就是“负负得正”的数学证明。

为什么“正正”不能“得负”?

“正正得负”不符合我们对数字和运算的直观理解,以及数学体系的逻辑一致性。

1. 直观意义的冲突:
我们已经看到,正数通常代表“增加”、“拥有”或“正方向”。
“正正”相乘,比如 (+a) (+b),意味着“多次增加”或者“朝正方向的多次累计”。
比如,你每天增加10块钱 (+10),3天后,你的钱总共增加了 3 (+10) = +30 块。
“正正得负”会是什么意思?“三次增加10块钱,结果钱变少了30块”?这在实际情况中是讲不通的。它违背了“增加”的自然含义。

2. 数学体系的破坏:
如果允许“正正得负”,那么整个乘法和加法的系统就会变得混乱不堪。
比如,我们一直以来遵循的分配律、结合律等基本运算规则,都会被打破。
如果 (+2) (+3) = 6,那么我们之前看到的 (+3) (2) = 6,以及 (3) (2) = +6 等等,都会失去一致性。
数学之所以强大,是因为它建立在一致且自洽的规则之上。一旦允许“正正得负”,就像在建造大楼时,把地基挖得七零八落,大楼根本就站不住脚。

3. 数的概念的演进:
负数的出现是为了扩展数的概念,能够描述更多样的现实情况。
正数、负数、零共同构成了一个有序的数轴。
乘法在这个数轴上,也有其特定的几何意义(例如,ab表示以b为底,a为高的矩形面积,方向需要考虑)。
“正正”相乘,是朝着“正”的方向“重复”或“放大”,结果自然还是“正”。

总结一下:

“负负得正”是数学为了保持运算的自洽性,在引入负数概念后,根据分配律等基本性质推导出的必然结果。它也很好地契合了“撤销负面影响等于正面效果”的直观理解。

而“正正得负”则完全相反,它违背了我们对正数“增加”、“正向”意义的直观理解,并且一旦允许,就会彻底摧毁整个数学运算体系的逻辑一致性。所以,我们必须坚持“正正得正”,才能让数学这门语言清晰、有力地描述世界。

简单来说,数学的规则不是凭空想象的,它们是在尽可能地模仿和抽象现实世界的规律,同时又保证了内部的逻辑严丝合缝。负负得正是为了让数学更完善,而正正得负则会将其毁掉。

网友意见

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因为乘法可以分为两部分:扩张与旋转。

-1不过是“旋转π”,而1是“旋转2π”,虚数i是“旋转π/2”。

负负得正,i^2=-1本质上都是这样。

如果对矩阵熟悉的人可能会想起旋转矩阵,虽然旋转矩阵和复数表面上不一样,但只要做一个特征值分解就会明白,这两者完全就是同一个东西的侧面。

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