为什么零乘以任何数都等于零?是纯粹的数学上的规定吗?

为什么零乘以任何数都等于零?是纯粹的数学上的规定吗?

要严格回答这个问题,首先你得知道什么是有序域。

当一个集合 中定义了两种二元运算(分别称为加法和乘法,但不一定是实数的加法和乘法;二元指的是运算需要两个元素来参与)之后,该集合 便可称作一个“域”。

那么什么样的运算才可以称为 中的加法和乘法呢?需要这两种运算满足以下3点。

一、加法公理

这条公理只针对加法提出,加法公理由以下5条构成。

(1)对于 中的任意两个元素 ,有 的结果仍在 中。

(2)加法满足结合律,即对于任意三个元素 ,有 。

(3)加法存在单位元,用0来表示,即对于任何元素 ,有 。

(4)加法存在逆元, 的逆元用符号 来表示,即对于任何元素 ,总是存在唯一的元素 ,使得 。

(5)加法满足交换律,即对于任意两个元素 ,有 。

二、乘法公理

这条公理只针对乘法提出,乘法公理由以下5条构成。

(1)对于 中的任意两个元素 ,有 的结果仍在 中。

(2)乘法满足结合律,即对于任意三个元素 ,有 。

(3)乘法存在单位元,用1来表示,并且乘法单位元不等于加法单位元,即对于任何元素 ,有 。

(4)除了加法单位元0之外,乘法存在逆元, 的逆元用符号 来表示,即对于任何元素 ,总是存在唯一的元素 ,使得 。

(5)乘法满足交换律,即对于任意两个元素 ,有 。

※乘号通常可以省略, 简写成 。

三、分配律

这条公理是针对加法和乘法同时提出的,只有1条。

(1)乘法对加法满足分配律,即对于任意三个元素 ,有 。

※由于乘法和加法都满足交换律,上面的分配律也可以写成 。

再来看看序关系。

在集合 中定义一个二元全序关系,满足以下3条。

(1)对于任意两个元素 ,不等式 或者 一定成立其中一个。

(2)对于任意三个元素 ,如果 ,那么 。

(3)如果(1)中的两个不等式同时成立,那么 。

其中如果 且 ,那么称 。

所以,所谓的有序域就是指同时定义了加法、乘法运算和序关系之后,满足以下两条的集合。

(1)对于任意三个元素 ,如果 ,那么 。

(2)如果上面的 ,那么 。

现在来回答你的问题。

1.证明 。

根据加法公理3, ,所以 。

根据分配律, 。

所以 。

根据加法公理4, 存在加法逆元 。

在等式 的两边同时加上 ,得 。

根据加法公理4,等号的左边等于0。

根据加法公理2,等号的右边等于 。

根据加法公理4,中括号内的部分等于0,所以等号的右边等于 。

根据加法公理3,等号的右边等于 。

所以 。

2.证明 。

根据加法公理3,结论成立。

3.先证明两个引理。

(1)如果 ,那么 。

反证法,假设 。

因为 ,根据乘法公理4, 存在乘法逆元 。

在等式 的两边同时乘以 ,得 。

根据问题1,等号的右边等于0。

根据乘法公理2,等号的左边等于 。

根据乘法公理4,括号内的部分等于1,所以等号的左边等于 。

根据乘法公理3,等号的左边等于 。

所以 ,矛盾。

(2)如果 ,那么 ;如果 ,那么 。

当 时,根据有序域的定义1, 。

根据加法公理3、4,得 。

同理可证另一个结论。

3.1当 时,有 ,且 。

根据有序域的定义2, 。

根据问题1, ,所以 。

根据引理1, ,所以 。

3.2当 时,有 且 。

根据加法公理4, 存在加法逆元 。

根据引理2, 。

根据问题3.1, 。

根据有序域的定义1, 。

根据分配律,不等式的左边等于 。

根据加法公理4,括号内的部分等于0,所以不等式的左边等于 。

根据问题1,不等式的左边等于0。

根据加法公理3,不等式的右边等于 ,所以 。

根据引理1, 。

3.3当 时,有 且 。

根据加法公理4, 存在加法逆元 。

根据引理2, 。

根据问题3.2, 。

根据有序域的定义1, 。

根据分配律,不等式的左边等于 。

根据加法公理4,括号内的部分等于0,所以不等式的左边等于 。

根据问题1,不等式的左边等于0。

根据加法公理3,不等式的右边等于 ,所以 。

根据引理1, 。