除以0时计算器的错误
在数学 中,被除数 的除数 (分母 )是零 或将某数除以零 ,可表达为
a
0
{\displaystyle {\frac {a}{0}}}
,
a
{\displaystyle a}
是被除数。在算式中没有意义,因为没有数目 ,以零相乘(假设
a
≠
0
{\displaystyle a\neq 0}
),由于任何数字乘以零均等于零,因此除以零是一个没有定义 的值。此式是否成立端视其在如何的数学 设定下计算 。一般实数 算术中,此式为无意义 。在程序设计 中,当遇上正整数 除以零程序会中止,正如浮点数 会出现无限大或NaN 值的情况,而在Microsoft Excel 及Openoffice 或Libreoffice 的Calc 中,除以零会直接显示#DIV/0!
。
基本算术
基本算术中,除法 指将一个集合 中的对象分成若干等份。例如,
10
{\displaystyle 10}
个苹果平分给
5
{\displaystyle 5}
人,每人可得
10
5
=
2
{\displaystyle {\frac {10}{5}}=2}
个苹果。同理,
10
{\displaystyle 10}
个苹果只分给
1
{\displaystyle 1}
人,则其可独得
10
1
=
10
{\displaystyle {\frac {10}{1}}=10}
个苹果。
若除以
0
{\displaystyle 0}
又如何?若有
10
{\displaystyle 10}
颗苹果,无人(
0
{\displaystyle 0}
解作没有)来分,每“人”可得多少苹果?问题本身是无意义的,因根本无人来,论每“人”可得多少,根本多余。因此,
10
0
{\displaystyle {\frac {10}{0}}}
,在基本算术中,是无意义或未下定义的。
另种解释是将除法理解为不断的减法 。例如“
13
{\displaystyle 13}
除以
5
{\displaystyle 5}
”,换一种说法,
13
{\displaystyle 13}
减去两个
5
{\displaystyle 5}
,余下
3
{\displaystyle 3}
,即被除数一直减去除数直至余数 数值低于除数,算式为
13
5
=
2
{\displaystyle {\frac {13}{5}}=2}
余数
3
{\displaystyle 3}
。若某数除以零,就算不断减去零,余数也不可能小于除数,使得算式与无穷 拉上关系,超出基本算术的范畴。此解释也有一问题,即为无穷大 乘 以零仍是零。
早期尝试
婆罗摩笈多 (598–668年)的著作《婆罗摩历算书 》被视为最早讨论零的数学和定义涉及零的算式的文本。但当中对除以零的论述并不正确,根据婆罗摩笈多所说,
“
一个正或负整数除以零,成为以零为分母的分数。零除以正或负整数是零或以零为分子、该正或负整数为分母的分数。零除以零是零。
”
830年,另一位数学家摩诃吠罗 在其著作《Ganita Sara Samgraha 》试图纠正婆罗摩笈多的错误,但不成功:
婆什迦罗第二 尝试解决此问题,答案是让
n
0
=
∞
{\displaystyle {\frac {n}{0}}=\infty }
。虽然此定义有一定道理,但会导致一个悖论:
0
×
∞
{\displaystyle 0\times \infty }
的结果可以是任意一个数,所以所有的数都是相同的。[ 1]
在微积分 和数学分析 中,像
0
×
∞
{\displaystyle 0\times \infty }
或
0
0
{\displaystyle {\frac {0}{0}}}
这一类极限 称为不定型 。不定型是可以计算的,结果可能是任意数。
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代数处理
若某数学系统遵从域 的公理,则在该数学系统内除以零必须为没有意义。这是因为除法被定义为是乘法 的逆向操作,即
a
b
{\displaystyle {\frac {a}{b}}}
值是方程
b
x
=
a
{\displaystyle bx=a}
中
x
{\displaystyle x}
的解(若有的话)。若设
b
=
0
{\displaystyle b=0}
,方程式
b
x
=
a
{\displaystyle bx=a}
可写成
0
×
x
=
a
{\displaystyle 0\times x=a}
或直接
0
=
a
{\displaystyle 0=a}
。因此,方程式
b
x
=
a
{\displaystyle bx=a}
没有解(当
a
≠
0
{\displaystyle a\neq 0}
时),但
x
{\displaystyle x}
是任何数值也可解此方程(当
a
=
0
{\displaystyle a=0}
时)。在各自情况下均没有独一无二的数值,所以
a
b
{\displaystyle {\frac {a}{b}}}
未能下定义。
除以零的谬误
在代数运算中不当使用除以零可得出无效证明 :
2
=
1
{\displaystyle 2=1}
式:
0
a
=
0
{\displaystyle 0a=0}
试:
a
=
1
{\displaystyle a=1}
:正确
a
=
2
{\displaystyle a=2}
:正确
得出:
0
×
1
=
0
×
2
{\displaystyle 0\times 1=0\times 2}
除以零得出
0
0
×
1
=
2
{\displaystyle {\frac {0}{0}}\times 1=2}
简化,得出:
1
=
2
{\displaystyle 1=2\,}
以上谬论 假设,某数除以0是容许的,并且
0
0
=
1
{\displaystyle {\frac {0}{0}}=1}
。
另一个简洁的证明
设
a
=
b
{\displaystyle a=b}
,则
a
2
=
a
b
{\displaystyle a^{2}=ab}
两边同时减去
b
2
{\displaystyle b^{2}}
,由平方差公式 得
(
a
+
b
)
(
a
−
b
)
=
b
(
a
−
b
)
{\displaystyle (a+b)(a-b)=b(a-b)}
两边除以
(
a
−
b
)
{\displaystyle (a-b)}
,
a
+
b
=
b
{\displaystyle a+b=b}
故
a
=
0
{\displaystyle a=0}
。
通过上面的过程,证明了一切数字等于
0
{\displaystyle 0}
。此谬论是由于简化的过程不正确,计算过程使用了“除以零”。
因为
(
a
−
b
)
{\displaystyle (a-b)}
是零,所以不能够把左右两边的
(
a
−
b
)
{\displaystyle (a-b)}
删去。
虚假的除法
在矩阵 代数或线性代数 中,可定义一种虚假的除法,设
a
b
=
a
b
+
{\displaystyle {\frac {a}{b}}=ab^{+}}
,当中
b
+
{\displaystyle b^{+}}
代表
b
{\displaystyle b}
的虚构倒数。这样,若
b
−
{\displaystyle b^{-}}
存在,则
b
+
=
b
−
{\displaystyle b^{+}=b^{-}}
。若
b
=
0
{\displaystyle b=0}
,则
0
+
=
0
{\displaystyle 0^{+}=0}
;参见广义逆 。
数学分析
函数
f
(
x
)
=
1
x
{\displaystyle f(x)={\frac {1}{x}}}
的图像。当x趋向0,左极限和右极限分别趋向负无限及正无限。
扩展的实数轴
表面看来,可以藉着考虑随着
b
{\displaystyle b}
趋向
0
{\displaystyle 0}
的
a
b
{\displaystyle {\frac {a}{b}}}
来定义“除以零”。
对于任何正数
a
{\displaystyle a}
,右极限是
lim
b
→
0
+
a
b
=
+
∞
{\displaystyle \lim _{b\to 0^{+}}{a \over b}={+}\infty }
另一方面,左极限是
lim
b
→
0
−
a
b
=
−
∞
{\displaystyle \lim _{b\to 0^{-}}{a \over b}={-}\infty }
由于左极限及右极限不相同,因此函数在
x
=
0
{\displaystyle x=0}
的极限不存在,该点没有定义。同样地,若
a
{\displaystyle a}
是负数,极限也不存在。
如果分子及分母均为零或趋向零,则可使用洛必达法则 计算。
不定型极限
不定型 (Indeterminate Form)的极限可透过四则运算 或洛必达法则 计算。
考虑函数
f
(
x
)
=
x
2
−
9
x
−
3
{\displaystyle f(x)={\frac {x^{2}-9}{x-3}}}
如果直接代入
x
=
3
{\displaystyle x=3}
,会得到零除以零,这是没有意义的。
f
(
3
)
=
3
2
−
9
3
−
3
=
0
0
{\displaystyle f(3)={\frac {3^{2}-9}{3-3}}={\frac {0}{0}}}
但透过约简分子及分母,该点的极限是可以计算的。
lim
x
→
3
x
2
−
9
x
−
3
=
lim
x
→
3
(
x
+
3
)
(
x
−
3
)
x
−
3
=
lim
x
→
3
x
+
3
=
6
{\displaystyle \lim _{x\to 3}{\frac {x^{2}-9}{x-3}}=\lim _{x\to 3}{\frac {(x+3)(x-3)}{x-3}}=\lim _{x\to 3}x+3=6}
此外,函数的极限可透过洛必达法则 计算。
lim
x
→
c
f
(
x
)
g
(
x
)
=
lim
x
→
c
f
′
(
x
)
g
′
(
x
)
{\displaystyle \lim _{x\to c}{\frac {f(x)}{g(x)}}=\lim _{x\to c}{\frac {f'(x)}{g'(x)}}}
若随着
x
{\displaystyle x}
趋向
0
{\displaystyle 0}
,
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
与
g
(
x
)
{\displaystyle g(x)}
均趋向
0
{\displaystyle 0}
,该极限可等于任何实数或无限,或者根本不存在,视乎
f
{\displaystyle f}
及
g
{\displaystyle g}
是何函数。
形式推算
运用形式推算 ,正号、负号或没有正负号因情况而定,除以零定义为:
lim
x
→
0
1
x
=
lim
x
→
0
1
lim
x
→
0
x
=
∞
.
{\displaystyle \lim \limits _{x\to 0}{{\frac {1}{x}}={\frac {\lim \limits _{x\to 0}{1}}{\lim \limits _{x\to 0}{x}}}}=\infty .}
黎曼球
集合
C
∪
{
∞
}
{\displaystyle \mathbb {C} \cup \{\infty \}}
为黎曼球 (Riemann sphere ),在复分析 中相当重要。
计算机科学
在计算机中,除以零的结果根据编程语言、软硬件环境、数据类型、数值而不同。部分语言中,无论是整数还是浮点数,除以0均会产生异常,而在另一部分语言中,整数除以零会产生异常或未定义行为 ,而浮点数除以零的结果如下:
零与NaN除以零:NaN (注:NaN不等于NaN)
零与NaN以外的数除以符号相同的0(如1除以0):正无穷大
零与NaN以外的数除以符号不同的0(如1除以-0 、-1除以0):负无穷大
注释
参考
Charles Seife 2000, Zero: The Biography of a Dangerous Idea , Penguin Books, NY, ISBN 0 14 02.9647 6 (pbk.).
Alfred Tarski 1941 (1995 Dover edition), Introduction to Logic and to the Methodology of Deductive Sciences , Dover Publications, Inc., Mineola, New York. ISBN 0-486-28462-X (pbk.).
延伸阅读
Jakub Czajko (July 2004) "", Chaos, Solitons and Fractals , volume 21, number 2, pages 261–271.
参见