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  • 1 # 中學數學深度研究

    美國詩人奧登(W.H.Auden, 1907~1973)曾武斷地說:“負負得正,其理由我們無須解釋!”奧登的話暗示我們:許許多多的人在徒勞地尋求“負負得正”這個“悖論”就讓他嚐到了苦頭。事實上,自從負數 概念進入數學課本以來,人們就沒有停止過“負負得正”合理性的質疑。“負負得正”成了一個教學難點。

    對於這個問題,也許有人會用M.克萊因的“負債模型”進行回答:

    “一人每天欠債5美元,給定日期(0美元),3天后欠債15美元。如果將5美元的債記成-5,那麼每天欠債5美元,欠債3天可以用數學算式來表達:3×(-5)=-15. 同樣,一人每天欠債5美元,那麼給定日期(0美元),3天前,他的財產比給定的日期的財產多15美元。如果我們用-3表示3天前,用-5表示每天欠債,那麼3天前他的經濟情況可表示為(-3)×(-5)=15”。

    作為規定

    翻閱了我們使用的教材。然而我十分失望,因為教材的說法沒辦法解釋我們的疑惑!教材的相關內容如下:前面已經得出:3×(-2)=-6“再試一試:(-3)×(-2)=?把它與(-3)×2=-6,對比,這裡把一個因數“2”換成了它的相反數‘-6’,所得的即積應該是原來的積‘-6’的相反數6,即(-3)×(-2)=6 .”。那為什麼其中一個因數替換成相反數,積就一定會變成原來的相反數?對此書本並沒有任何解釋。

    事實上,教材使用的思路是先透過對比“3×2=6”和容易解釋的“(-3)×2=-6”這兩個等式,總結出“兩數相乘,若把一個因數換成它的相反數,則所得的積是原來的積的相反數.”於是再進一步由於“(-3)×(-2)是在(-3)×2的基礎上,把因數‘-2’換成相反數‘2’,於是所得的積也會是原來的相反數‘6’。”

    可以說,整數集Z上的一個二元運算是一個函式f:Z×Z→Z。如果f在自然數集合N上的限制f:N×N→Z的值都落在N內,而且和自然數乘法的結果一致,它就可以被看作是自然數乘法運算在整數上的推廣,可以被叫做整數“乘法”。

    顯然是因為,負負得正的整數普通乘法比起其他的對自然數乘法的推廣來說,有它的好處,而且是大好處。

    實用方面的考慮

    (﹣5)×(﹣100)

    什麼意思?是你賣草莓連續﹣5天每天虧損100元?好像哪裡不對勁。在這種現實情境下有點說不清道不明。

    那咱們用數學的方法試試。

    在說明負數乘負數之前先來複習一下小學的幾個運算律,當然受過九年義務的“摧殘”的我們都會。

    我們由0=0×(﹣100)開始

    我們利用了已有的加法和乘法運算律,中間出現了(﹣5)×(﹣100),怎麼辦?我們只能讓它的結果是500。

    蘇聯著名數學家蓋爾範德(I.Gelfand, 1913~2009)則作了另一種解釋:

    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。

    兩百年前,法國有一個男孩叫司湯達,他小時候特別熱愛數學。當他在學校學到乘法法則的時候,對“負負得正”這個法則,完全沒有辦法理解。於是他向老師迪皮伊先生請教,然而老師對他的提問卻是不屑一顧,讓他記住就好。司湯達又去問補習學校的數學老師夏貝爾先生,夏貝爾先生不勝其煩,不斷重複書本的描述不能讓小司湯達滿意,最後丟擲一個“負數如同欠債”這樣的比喻。然而這仍無法解釋小司湯達的困惑:“500法郎的債乘10000法郎的債,得到5000000法郎的收入?”,這怎麼解釋得通?

    “負負得正”這個問題困擾了司湯達很久,最後他被迫接受了這個法則,但數學這門學問的嚴密性也讓他深深質疑。以後他對數學再也沒有那麼大的興趣了,而把更大的興趣放在了文學上。後來聰明的司湯達成為了一位偉大的文學家,名著《紅與黑》正是出自他的手筆。

    這個故事令人唏噓不已。要是當年司湯達的老師認真考慮一下同學的提問,而不是直接用“這是規定,沒有為什麼”之類的語言搪塞,扼殺學生的好奇心,那麼或許以司湯達的聰明才智他也會在數學上很有成就呢!

    高等數學中“群”、“環“等知識進行的解釋與證明

    證明1(由相反數的意義)由抽象代

    數知識:Z是整環,Q是Z的分式城,故(Q,

    +,·)構成環(其中Q為所有有理數構成的集合,乙是所有整數構成的集合)對任意的a,c∈Q,且a,c>0因為(Q,+)構成群,故存在b=Q,使得a+b=0(0為Q中的零元),又團為bc=(0-a)c=[0+(-a)]c=0-c+

    (-a)e=(-a)c,即bc=(-a)c(*).兩邊同時加上ac,得:ac+bc=ac+(-a)c.因為(Q,+,·)構成壞,由乘法對加法的右分配律:

    (-a)c+ac=[(-a)+a]c=0-c=0,即;ac+bc=0,也即bc=-ax,聯合(*)式得:bc=(-a)c=-ax. 故:(-a)c=-ac.

    結論1:兩個有理數a,c相乘,把a換成-a後,即(-a)與c相乘為原來積ac的相反數ac.對a與(-c)相乘,可由結論l得結論2:兩個有理數a,(-c)相乘,把a換成-a後,即-a與-c相乘為原來積(-ac)的相反數ac.

    但事實上,這也就隱含地說明了“負負得正”的原因。

    一點感想

    讀書時還有一個疑問,在學習無理數時對“無理數”這個名稱感覺怪怪的,有理數是“有道理的數”?無理數難道是“沒道理的數”?既然沒道理我們還學它幹嘛?這個疑問直到多年後偶然看到孫維剛老師的解釋才迷團頓解。

    原來,“有理數”和“無理數”這兩個名詞是從西方傳來,在英語中是“rational number”和“irrational number”。而rational通常的意義是“理性的”,日本人據此把它翻譯成“有理數”和“無理數”。

    中國在近代翻譯西方科學著作,照搬了日語中的翻譯方法。但是,這個詞來源於古希臘,其英文詞根為ratio,就是比率的意思(這裡的詞根是英語中的,希臘語意義與之相同)。所以這個詞的意義也很顯豁,就是整數的“比”。與之相對,“無理數”就是不能精確表示為兩個整數之比的數,而並非“沒有道理”。所以更為合適的翻譯應為“可比數”和“不可比數”,有理數都可化為兩個整數的比,無理數則不能,這樣從名稱就可以反映它們的意義和本質。

    我想如果老師能對一些不易理解的概念名詞作合理的生活化的解釋,學生就可以更輕鬆地接受新概念,更順暢地理解新概念,也更自然地加深了記憶。

    有人這樣用類比的方法解釋乘法符號法則的合理性:

    好為正,壞為負。

    好人好報是好事⇒ 正×正=正;

    好人壞報是壞事⇒ 正×負=負;

    壞人好報是壞事⇒ 負×正=負;

    壞人壞報是好事⇒ 負×負=正。

    細想一下,其中的道理確有相通之處,正是日常事理與數學規則的完美結合。

    “19世紀德國數學家漢克爾(H.Hankel)早就告訴我們:在形式化的算術中,‘負負得正’是不能證明的。大數學家F.克萊因(F.Klein)也提出忠告:不要試圖去證明符號法則的邏輯必要性。”

    參考文獻

    1.佟巍, 汪曉勤. 負數的歷史與“負負得正”的引入[J]. 中學數學教學參考, 2005(Z1): 126-128.

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