知乎回答 · 2023

「不允许除以0」在数学中是逻辑自洽的,还是为避免出问题的而做出的强制规定?

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杀鸡不要用牛刀,能用中学数学解释的问题,就不需要用微积分或抽象代数来解释。

首先,「不能除 0」与其说是强制规定,倒不如说是人们的自然选择。

其次,你可以除 0,只不过要付出一个小代价,这个代价就是数学大厦的轰然倒塌。

很多教科书上说「除以 0 没有意义」,这种简单粗暴的回答既不准确,又无法帮我们真正理解数学。

让我们换一种提问方式:

如果允许「除以 0」,你将会进入一个怎样的数学世界?

​《除零之门》MidJourney 生成

​《除零之门》MidJourney 生成

让我们从这个不起眼的问题出发,层层递进的提问,一起探索一个有趣的数学世界。

在这个世界里,你不仅能更好的理解这一规则背后的思想,还能帮助你避免在证明时犯低级的错误。

先说结论:

加入「不能除 0」这条限制,并不是因为除以 0 没有意义,而是因为这会让计算的结果出现不确定性,让计算的过程出现悖论,专业一点说,这破坏了数学的一致性。

为什么计算结果会出现不确定性?

先解释什么是计算的确定性

比如,1+1=2,1/2=0.5

这些计算的结果是确定,你不会随便给出其他结果,这就是计算的确定性。

有人说,一元二次方程有两个解,三角函数有无穷多个解,这是确定的吗?

这也是确定的,因为根据这些函数的方程

y=ax^2+bx+c

y=sin(x)

输入一个 x 的值,比如 0,我们就明确知道 y 的计算输出结果,而不是随便一个数值,所以这也是确定的。

但是,1/0=?,这个计算的结果是多少?你能确定有多少解吗?

有人说,很简单啊,结果是无穷大 ∞ ,因为如果写成函数的形式

y=\frac{1}{x}

当分母 x 越趋近于 0,y 就会越趋近于无穷大 ∞ 。

例如下图,当 x 从大到小无限靠近 0 时,y 就会快速增大为无穷∞

「不允许除以0」在数学中是逻辑自洽的,还是为避免出问题的而做出的强制规定?配图

​如果 y 的结果是无穷大,那计算的结果还是确定的,因为无穷大也是确定的解,很多函数在特定的点上也会出现无穷大。这不是随便给出结果,所以并不是问题所在。

真正的问题在于,这个计算结果是不完整的。

这个计算只考虑从正数一侧靠近 0,没有考虑到还有负数一侧。

如果 x 从负数一侧靠近 0,y 的计算结果就会靠近负无穷-∞。

例如下图给出了双侧的结果。

「不允许除以0」在数学中是逻辑自洽的,还是为避免出问题的而做出的强制规定?配图

不同的趋近方向计算结果是完全不同。你就说,挣 1 个亿和赔 1 个亿,能一样吗?

那在 0 这个点上,y 的取值究竟是正无穷+∞,还是负无穷-∞?

你能确定吗?是不是不能?

也就说,对于函数

y=\frac{1}{x}

当它站在 x=0 这个点上成为 \frac{1}{0} 时,突然进入了一种不确定的状态,y 既不是正无穷,也不是负无穷,或者可以都是。

这就是不确定的。

有人说,两个结果好像也没问题啊?不就是正负两个无穷大吗?

问题在于,除了正负无穷大, \frac{1}{0} 还可以是从负无穷到正无穷中间的任何一个值。

也就是随便给个数,都可以算是 \frac{1}{0} 的正确结果,不再有对错之分,这是一种更诡异的不确定性。

怎么会这样?很奇怪是吧!具体原因后面再解释。

有人可能会问:

这有什么问题吗,结果不确定又怎么了,我就想让除法保留「除以 0」不可以吗?

可以,当然可以了!

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