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为什么负负得正?负数是如何被接受的?负数如何登堂入室?

考试微课堂 290

前言:

此时大家对“正负数的法则”大概比较讲究,各位老铁们都想要学习一些“正负数的法则”的相关文章。那么小编同时在网摘上网罗了一些关于“正负数的法则””的相关资讯,希望看官们能喜欢,看官们快快来了解一下吧!

“一别之后,二地相思。只说是三四月,又谁知五六年。七弦琴无心弹,八行书不可传,九连环从中折断,十里长亭望眼穿。百思想,千系念,万般无奈把郎怨。”

在我们的数学学习过程中,充斥着大量的数学口诀,比如“奇变偶不变,符号看象限”,“上加下减,左加右减”,“负负得正”,“移项要变号”……倘若带着这些口诀穿越回古代,必可成为暗语第一人。试想一下,月黑风高的深夜,几声沉闷的敲门声后躲着一个黑衣人,门内:“上加下减”,门外:“左加右减”。门瞬间打开,两人深情握手!

今天我们对其中的一个口诀,提出一个尖锐的问题:“负负得正好像是铁一般的事实,那么为什么会负负得正呢?”相信很多朋友会一时错愕的回答不出来,既使想一想也不一定能说出个一二三来。好像“负负得正”这句话没有什么需要解释的,数学中默认的规矩,也许当年读初中时老师就是这么要求的,背下来就好了,背下来题也会做了,计算速度也快了,一口气刷5套数学题不费劲儿!

事实上,看似很简单的“负负得正”,经历了大起大落的历史。要想弄明白“负负得正”,不得不先对“负数”提出点意见,事实也的确如此,就“负数”而言,一直以来它都不是被人们愉悦的接受的,“负数”从提出,到被人们所接受,虽然不能说是历经“九九八十一难”,但也是体现了“真金不怕火炼”的心酸历程。

负数的历史为什么要有负数?

在几百年前,负数不被人们普遍接受,即便是数学家。直到19世纪中叶,负数才成为一等公民。

数字源于对自然物的记录,比如:今天打了5只羊,8只兔子,自然数的出现就理所应当了。而分数仅仅是改良了的整数,比如:2/5米,就是将一米分成5部分,然后取其中2部分而已。因此,古希腊的毕达哥拉斯学派的“万物皆数”理念才能有令人“宗教”般的崇拜,而他们的“数”指的就是整数,认为世间的一切均可以用整数表示,并且当时的人们对此深信不疑。

在计数的过程中,最小的数必然是什么都没有,也就是数字0,怎么能有比“什么都没有”还小的数出现呢?这是一个非常令人费解的问题,这样的问题又有什么实际意义呢?

为了解释这个问题的实际意义,我们在此列举两个数学问题,在小学奥数中它们也叫做“年龄问题”,当然我们的题目并不难。

问题一:“哥哥今年7岁,妹妹2岁,那么几年后哥哥的年龄比妹妹的大一倍?”

问题二:“哥哥今年18岁,妹妹11岁,那么几年后哥哥的年龄比妹妹的大一倍?”

设x年后,哥哥的年龄比妹妹的大一倍。列方程,解方程:

问题一:7+x=2(2+x);解得:x=3

问题二:18+x=2(11+x);解得:x=-4

对于问题一,答案很自然,3年后哥哥的年龄比妹妹的大一倍。而对于问题二的负解,也是有实际意义的,可以答成4年前哥哥的年龄比妹妹的大一倍。

看起来很讲理吧,但是当时的人们并不这么认为,人们认为负数的答案是荒谬的,至于为什么出现了负数的答案,那是因为本身的题目就是错误的,问题二应该被问成“几年前哥哥的年龄比妹妹的大一倍”。答案自然就是正数4了。

数学家的困惑

前文提到,即便是数学家,也对负数有抵触情绪,下面我们来细数几位数学大咖,看看他们对于负数的苦恼!

古希腊的丢番图,在《数论》第五卷第二题中,得到方程4x+20=4,他认为,某物的4倍再加20,不可能等于4,这是荒谬的,在他的数字字典中,只接受正的有理数。

古希腊的丢番图

阿拉伯数学家阿尔-花剌子模,认识到一元二次方程有两个根,但只有当它们都是正数的时候才是。这也许基于是他求解一元二次方程的方法,他解方程的方法非常精彩,利用长方形的面积和边长,故而他认为如果解是负数将是无意义的。

阿拉伯数学家阿尔-花剌子模

法国数学家韦达,没错,就是韦达定理的韦达,他也拒绝接受负数,认为当负数作为方程的解出现时,它们被称为“虚解”,“假根”。如果负数被接受为数字,会使计算非常的混乱。比如:方程x²-2x+2=0,根据求根公式,可以得到方程的根是1+√-1,1-√-1,直接导致了负数出现了平方根!

法国数学家韦达

法国数学巨匠笛卡尔,认为涉及负数的平方根是“想象的”,比如对于方程x4=1,有一个真实根(+1),一个假根(-1),两个想象的根(+√-1)和(-√-1)。顺便提一句,虽然当今我们使用的直角坐标系,就是以笛卡尔命名的直角坐标系,但是当时笛卡尔所使用的坐标系并不像今天的坐标系一样,它的构图主要涉及正数,对于x轴y轴负半轴的的概念完全没有出现。

法国数学巨匠笛卡尔

安托万·阿尔诺,法国神学家,逻辑学家和哲学家,他说如果-1小于1,那么在比例式-1:1=1:-1中,表明较小的数比较大的数,竟然等于较大的数比较小的数,这简直太扯了!(好有道理啊!)

约翰·沃利斯认为负数比无穷大还要大,他在《无穷算术》中说到,比如3/1>3/2,说明分母越小,而数越大,因此3/0就是无穷大,现在问题来了,如果-1<0,说明3/-1应该比3/0还要大,也就是-3比无穷大还要大!

以上几位数学家的困惑是否曾经困扰着你?事实上,数学家们对于应用负数进行计算是没有问题的,主要是不能理解这个概念本身。

阿拉伯数学家和古希腊数学家都懂得如何将(x-a)(x-b)展开,也就是他们是明确的清楚负负得正,负正得负的。

负数如何被接受

1831年,在那个蒸汽机车刚刚透露出一丝曙光的年代,英国逻辑学家奥古斯都·德·摩根写道:“想象的表达式√-a与负的表达式-b有某种相似之处,就实际意义而言,两者都是想象的,因为它们都难以想象。”这是面对越来越抽象的代数方法时,一个没落的传统最后的喘息。是的,随着代数方法和数字结构越来越完善,在高斯、伽罗瓦、阿贝尔等人的不懈努力中,代数方程的研究演变成代数系统的研究。简而言之,实际上是数学变抽象了,不那么讲究实际了。在更抽象的环境中,数字本身“真实”的意义与它们之间的操作关系变得不那么重要了!数学界终于接受了负数的身份。在完善的数学体系下,负数和正数一样,不分伯仲,终于不再是别人家的孩子!

英国逻辑学家奥古斯都·德·摩根

为什么负负得正?

最后让我们一起回到“负负得正”这个话题,我们先用两个小模型,去解释一下为什么“负负得正”。

模型一:债务模型

大数学家欧拉就曾经用债务的说法去解释负数的存在,他在《代数指南》中说:负数被视为债务,正数代表真实的财产,因此,当一个人一无所有,还欠下50枚硬币时,毫无疑问,他有-50枚硬币,如果有人给他一份50枚硬币的礼物的时候,他将还清他的债务,变得一无所有,虽然他比以前富有了。

一人每天欠债5元,给定一个日期,在那一天他拥有0元,3天后将欠债15元。如果将5元的债务记为-5,那么3天后,他的债务可以用数学来表达为:3×(-5)=-15。同样,一人每天欠债5元,那么他在给定日期(0元)的3天前,他的财产比给定日期的财产多15元,如果我们用-3表示3天前,用-5表示每天的欠债,那么3天前他的经济情况就可以表示为(-3)×(-5)=15,从而说明了“负负得正”!

模型二:讲一个故事

假设老王是一个小岛的主人,在这个小岛上生活着许许多多的人。现在作以下规定:小岛上 的好人用正数(+)表示,坏人用负数(-)表示;进入小岛用正数(+)表示,出岛用负 数(-)表示。对于小岛来说,好事用正数(+)表示,坏事用负数(-)表示。

现在,假设有一个人要进入(+)你的小岛,如果他是一个好人(+),那么对王岛主来说,这是一件好事(+),所以(+)x(+)=+;如果他是一个坏人(-),那么对王岛主来 说,就是一件坏事(-),所以(+)x(-)=-。假设一个人要出岛(-),如果他是一个好人(+),那么对王岛主来说,是一件坏事(-),所以(-)x(+)=-,如果他是一个坏人(-),那么对王岛主来说,就是一件好事(+),所以(-)x(-)=+!所以,负负得正!

以上两个模型仅仅是对“负负得正”的解释,并不是证明,但是对于那些喜欢刨根问底的小朋友来说,这并不能满足他们的求知欲,下面给一个所谓的证明,为什么说是所谓的证明,不妨看完过程,我们再议不迟!

反证法:

假设“负负得负”。即(-1 )x(-1 )=(-1 )

一方面, (-1)x(+1)=(-1 )x[(+2)+(-1)]

=(-1)x(+2)+(-1)x(-1)

=(-1)x(+2)+(-1);

另一方面,(-1)x(+1)=[(-2)+(+1)]x(+1)

=(-2)x(+1)+(+1)x(+1)

=(-2)x(+1)+1。

从而我们得到(-1)x(+2)+(-1)=(-2)x(+1)+1,得-3=-1,导出矛盾,假设是错误的,故(-1)x(-1)=+1。负负得正!

虽然上述的证明用了一个高大上的证明方法--反证法!但是该过程严重“依赖”交换律,分配律等运算法则,也就是说我们把正数的运算法则作用于负数运算的时候,负负必然得正,其实这也算是一个解释说明,并不是证明!实际上,德国数学家汉克尔早就指出:在形式化的算术中,“负负得正”是不能被证明的,所以也不要试图去证明符号法则的逻辑必要性。

标签: #正负数的法则 #正负数的用法