為什么“負負得正”改衩?

是每一個上過中學的人都熟知的事實,但是即便是非常簡單的“負負得正”侍筛,你有想過這是為什么嗎萤皂?

1 司湯達的疑問

將財產(chǎn)記為正數(shù),負債記為負數(shù)對于普通人來說確實是一件易于理解的事匣椰,這種記錄方式始于7世紀的印度裆熙,它適用于加減法的運算,比如禽笑,本來有10元入录,支出12元,對應的算式是

這里的

對應的實際含義是“負債2元”佳镜。

然而僚稿,當要對其進行乘除法的時候,就會出現(xiàn)某些令人匪夷所思的問題蟀伸,在12世紀蚀同,印度天文學家巴斯卡拉這樣說道:“財產(chǎn)和財產(chǎn)的乘積,債金和債金的乘積均為財產(chǎn)啊掏,財產(chǎn)和債金的乘積則是債金唤崭。”根據(jù)他的說法脖律,就有

債金

債金

財產(chǎn)

這個公式是什么意思呢谢肾?恐怕無人能夠理解。18世紀的大數(shù)學家歐拉在其著作《代數(shù)學入門》采用過同樣的說明方法小泉,這讓許多學習數(shù)學的人在初遇負數(shù)相乘問題的時候感到一頭霧水芦疏。

司湯達(1783~1842)

《紅與黑》的作者冕杠,19世紀法國批判現(xiàn)實主義作家司湯達在其年少時酷愛數(shù)學,但他同樣也困惑于“負負得正”問題酸茴,他在其自傳中這樣寫道:

似乎是由于年少的單純分预,使我認為在數(shù)學中是不可能有虛假的,然而當了解了誰也沒加證明的(負×負)=(正)時薪捍,該怎么辦才好呢(這是代數(shù)學的基礎之一)笼痹。當考慮某人有負的借款時,為何1萬法郎的借款乘以500法郎借款酪穿,就會變成500萬法郎的財產(chǎn)了呢……

實際上凳干,司湯達提出了每一個學習代數(shù)的人都必然會提出的問題,即為什么“負負得正”被济?該如何直觀地理解這件事救赐?

2 從實際的角度

問題出在了對正負數(shù)的說明上。仔細想想只磷,對于什么是財產(chǎn)

財產(chǎn)经磅,債金

債金,恐怕誰也無法說明钮追,因為金額再乘以金額是沒有實際意義的预厌。

M·克萊因(1908-1992)

對此,《古今數(shù)學思想》的作者元媚,美國數(shù)學史家和數(shù)學教育家M·克萊因通過“負債模型”巧妙地說明了“負負得正”問題:

一個人每天欠債5元配乓,從給定日期開始(比如今天)3天后欠債15元。如果將5元的負債記作

惠毁,那么“每天欠債5元犹芹,欠債3天”可以用數(shù)學來表達:

同樣地,每天欠債5元鞠绰,考慮這個人3天前的財產(chǎn)腰埂,那么就應該比今天的財產(chǎn)多15元。如果我們用

表示3天前蜈膨,用

表示每天欠債屿笼,那么3天前他的財產(chǎn)情況就可以表示為

受此啟發(fā),我們也可以舉出“批閱試卷”的例子來進行說明:

如果有一次考試某同學錯了一道題翁巍,扣5分驴一,則將其記為

,對應的算式是:

這里的1表示的實際含義是1道錯題灶壶。

換個角度想肝断,假若是老師批錯了,那么很顯然這位同學扣除的5分就會加回去了,其得分是

胸懈。1表示老師批對担扑,那么相對應地,

則表示老師批錯趣钱,對應的算式是:

上述兩個例子是自然的涌献,也是合乎情理的,可以幫助我們理解“負負得正”首有。

3 從運算邏輯的角度

從運算邏輯的角度來說燕垃,負負也必須要得正,因為有理數(shù)的運算必須遵循乘法分配律:

我們規(guī)定

實際上就是為了讓負數(shù)的運算依然能保持乘法分配律的結(jié)果井联,例如:

根據(jù)乘法分配律卜壕,則有

因為

,所以對于

低矮,其結(jié)果只能為1.

4 從幾何的角度

給定

被冒,則

均為正數(shù)军掂。如圖,則乘積

表示的實際含義是以

為兩邊的矩形(斜線陰影部分)的面積昨悼。

那么蝗锥,這個矩形是如何變換得到的呢?實際上率触,它是由原來以

终议,

為兩邊的大矩形先取走標以水平線陰影的矩形面積

,再取走標以豎直線陰影的矩形面積

葱蝗,但這樣取走了兩次標以雙重線陰影的矩形面積

穴张,必須將其放回,因此:

在這里如果令

两曼,便得到

即得到了負數(shù)相乘的符號法則皂甘。

5 不能加以證明的“負負得正”

實際上,上述對“負負得正”的一些看似合理的說明充其量只是某些“解釋”悼凑,而不能將其稱之為嚴格的數(shù)學證明偿枕。特別是上面“從幾何角度來說明負負得正”的例子,這樣的“論證”是虛假的户辫,因為它完全忽視了

公式之所以成立取決于不等式

渐夸,

,而令

則完全違背了這一點渔欢。

負數(shù)經(jīng)過了很長一段時間才被人們所接受墓塌,很難相信直到17世紀其合法性還不能像正整數(shù)那樣被人們所普遍承認,當有必要使用它們時,人們是相當猶疑和不安的桃纯,數(shù)學家有時將負數(shù)稱為虛構數(shù)酷誓、假數(shù)之類。因為人類的天性更傾向于依附“具體”的事物态坦,比如可數(shù)的物體(正整數(shù))盐数。對負數(shù)的運算毫無疑問是抽象的,為此人們曾反復地企圖證明符號法則伞梯,但都失敗了玫氢。

對數(shù)學家來說,經(jīng)過了很長一段時間才認識到“負負得正”以及負數(shù)谜诫、分數(shù)所服從的其他定義是不能加以“證明”的漾峡。它們是我們創(chuàng)造出來的,為的是在保持算術基本規(guī)律的條件下使運算能夠自如喻旷。能夠并且必須加以證明的僅僅是:在這些定義的基礎上生逸,算術的交換律、結(jié)合律且预、分配律是保持不變的槽袄。

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