兩個實數可以比較大小,為何兩個複數不能比較大小? - 艾伯史密斯

2020-12-09 艾伯史密斯

複數無法比較大小,這是因為我們無法把複數定義為一個自洽的有序域,使得它在加法和乘法上相容。

實數是可以比較大小的,但是學過複數的人會發現,對於兩個複數我們無法比較大小,甚至我們不知道虛數單位「i」和「0」哪個大。

一個數域中的任何兩個數要比較大小,首先這個數域的是有序域,也就是我們能建立一套法則,使得數域內的所有數,形成一個有序關係,並在加法和乘法上相容。

在數學上,對於一個數域Q,如果我們能定義一種全序關係使得Q為有序域,那麼必定滿足下面兩個條件(a、b、c屬於Q):

條件一:當a>b時,有a+c>b+c;

條件二:當a>b且c>0時,有ac>bc;

對於整數域、實數域來說,這兩個條件顯然是滿足的,所以整數和實數都是有序域,它們之中的任意兩個元素都可以比較大小。

複數是實數的擴充,並且引入了虛數單位「i」,我們可以把複數域看作二維數,但是無論我們如何定義,都無法使複數滿足有序域的兩個條件。

全序關係要求數域中任何兩個元素都可以比較,我們就以虛數單位「i」為例,必定滿足i>0、i<0或者i=0中的任意一個。

(1)假設i>0

根據條件二,我們令a=i,b=0,則有:

i*i>0*i

也就是-1>0矛盾

(2)假設i<0

說明i為負元,於是-i就是正元,有-i>0,同樣根據條件二,則有:

(-i)*(-i)>0*(-i)

也就是-1>0矛盾

(3)假設i=0

那就沒得玩了!

我們連虛數單位「i」和「0」的大小都無法比較,那麼更不用談複數之間的比較了。但是每個複數都對應一個模,模屬於實數,所以複數的模可以比較大小,複數模的幾何意義為複數到原點的距離。

從幾何上我們可以理解為,所有實數可以從左到右依次進行排列,因為實數是一維的;但是二維複數無法進行依次排列, 因為二維數的複雜程度本就高於一維數,我們無法在一維當中把二維元素一一排列出來。

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