負負得正的本質到底是什麼呢?

有趣的數學|負負得正的本質到底是什麼呢?


今天的話題讓我們由一個非常棒的電影片段開始,我們來看一下吧~

首先,這部電影是啥?

一部很有名的片子,你可能沒聽說過,但是你的老師一定都聽說過。

《為人師表》(Stand and Deliver)(1988)

有趣的數學|負負得正的本質到底是什麼呢?

Anyway,如果你沒有看過,強烈推薦!

所以我們今天的問題就是“為什麼負負得正?”

然後你就會說“難道還能有其他答案麼?”

你這麼說的唯一原因就是因為你已經被灌輸這個觀念了。當你人生第一次聽到的時候,可能你已經不記得了,但在你的記憶長河之中,它就被那麼接受了,還變成了你數學的根基之一。

那麼,為什麼負負得正呢?

有趣的數學|負負得正的本質到底是什麼呢?

讓我們嘗試把自己放到古代人的思想上,他們引入了數字,他們也許已經搞明白了所有正數,他們引入了0。然後他們有了貨幣,並有人欠其他人錢,因此有人就欠了債。為了描述這種活動,他們創造了負數。

現在要試試把正數和負數合在一起。嗯。。。有這麼幾件事情是萬無一失的,讓我們來看一看。

3+4=?

答案很明顯是7

(-3)+4=?

然後有些人也許丟了3元,然後又得到了4元。

他現在就剩下了1元。

(-3)+(-4)=?

也有可能丟了3元,又再丟了4元呢?

那就是丟了

7元。

但是現在,乘法怎麼辦?

那意味著什麼呢?一個負數乘以一個負數。我們要怎麼處理這個玩意兒?

嗯。。

有一點難度,所以讓我們後退幾步,先來看看(-3)×4,這個我們能搞定。

所以當我們看到這種式子的時候,我們都是這麼去理解的:

3乘上4,就是我們有3,然後我們來做3+3+3+3,加了4次,這就得出了12,所以我們可以做相同的事情呀。所以這就是(-3)+(-3)+(-3)+(-3)等於-12。

完美,沒有任何問題。

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如果是3×(-4)呢?這個就有點兒難度了。這是個什麼意思呢?我們有3,然後我們要把它加...4次?

這......好像有些困難。

其實在數學史的這一時期對這個的一般形式有一個很好的處理。那就是硬幹!讓我們看看結果如何?

我們對於正數和它們的性質已經瞭如指掌了,我們知道它們的運算法則,我們把它推廣到所有數上,會發生什麼呢?

我們都知道,如果給我們兩個正數,比如3和4,我們能交換它們,而結果不變。

現在讓我們看看:

(-3)×(-4)=?;

首先,讓我們拿走(-4)放到一邊不管它;

現在就只剩下:

(-3);

然後我們要做的是把-3變成我們熟悉的東西,變成正的。所以,我們要做的,就是加上3;

(-3)+3=?;

這個結果顯然是0;

(-3)+3=0;

雖然我們還沒把它變成正數,但是我們把它變成了我們熟悉的東西,0和3,我們是知道這兩個數乘以負數是什麼的。

所以我們現在要做的就是啟動自動駕駛儀——我們要-4去乘以等式兩端。

那麼——

0乘以(-4)是多少?

明顯是0;

3×(-4)等於多少?

答案是-12;

(-3)×(-4)雖然我們還是不知道,但是我們可以先放式子裡去。於是,我們得到的式子就變成了這樣:

(-3)×(-4)+(-12)=0;

在這個式子中只有一個未知數,其他都是我們知道的,那我們就只要解未知數就好了。或者,換一種方式,你還可以在兩邊都加上12。然後我們就得到了:

(-3)×(-4)=12;

這個結論其實是我們被逼才得到的,也就是我們之前說的Just do it(硬幹)的辦法。

接著我們需要驗證一下,它在現實生活中也能夠解釋的通嗎?

下面讓我們看一個十分十分巧妙的例子。

給你一個數,怎樣才能很快的得出結果呢?

48^2

最典型的做法就是把48寫成40+8;

(40+8)^2

然後我們運用完全平方和運算法則:

(a+b)^2=a^2+2ab+b^2

在這裡,a是40,b是8。然後我們開始計算:

我們需要a的平方,也就是40的平方,得出1600;然後我們還要2×4×8,得出640;最後一項是b的平方,b是8,所以8的平方是64;然後快速把它們加起來:

1600+640+64=2304;

可以說這個方法非常迅速,不到半秒你就可以得到答案。(前提是你能快速算出40×40=1600)

但是說實話,在這裡魔法君就不用這個方法了,我們用一個不同的方法。

如果這裡的數48的個位是小於5的數,比如2的話,我可能會用這個方法。但是這裡是8,而且這個數離50挺近的,因此我會用(50-2)^2,於是,50-2也就是50+(-2),所以b現在是-2,最後一項我們需要(-2)乘以(-2),讓我們來看看是否能得出同樣的答案

50的平方是2500;然後我們需要2×50×(-2),這個等於-200;然後是一個要繞點彎的,(-2)×(-2)=4,這裡也只能等於4,通過解方程也能解到這個結果;

2500+(-200)+4=2304;

顯然答案相同。

那麼這個負數乘以負數在現實生活中有沒有實例呢?實際上,大多數人正常生活都不會出現這種情況,而且在歷史上有很多關於這個法則的爭論。所以“負負得正”的法則出現並真正被接受是比較晚的事情了。

有位科學家對此做出了比較合理的解釋:

蘇聯著名數學家蓋爾範德(I.Gelfand, 1913~2009)

3×5=15:得到5美元3次,即得到15美元;

3×(-5)=-15:付5美元罰金3次,即付罰金15美元;

(-3)×5=-15:沒有得到5美元3次,即沒有得到15美元;

(-3)×(-5)=+15:未付5美元罰金3次,即得到15美元。

但是這種說法很有道理卻讓人覺得略微牽強。因為未付罰金,意思不就是自己的錢沒有減少的意思嗎?與其說是得到15美元,不如說是沒多沒少。

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但是數學家是站在你必須要付出美金的基礎之上來解釋的,對比你付了罰金之後的狀態,你當前未付的狀態正是從之後的狀態中“得到了15美金”,難道不是嗎?

負數的概念到了如今,已經在各種方面都有所涉及。有時候,它代表一種方向,有時候它則代表一種狀態。

有趣的數學|負負得正的本質到底是什麼呢?


“負負得正”的法則對數學做出了更美麗的解釋,只有這樣我們我們才能得到非常美妙的數學。同時可以說它十分的管用,我們已經試用很多年了。

在數學世界裡,乃至更高級的數學中,你甚至要跟變換這種概念打交道,而從正數到負數,也可以稱作一種變換,比如:(-2)乘以-等於2即(-2)→2,而加上負號即為變換的過程。這又是怎麼一回事呢?

在之後的推文中,魔法君將慢慢為你解答。

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