1×0=0是0乘以任何數字都等於 0還是1乘任何數字都等於那個數?

2020-12-14 灰鴿看世界

在一個環裡,1是乘法單位元,0是加法單位元。假設這個環不是零環,那麼1和0就是兩個不同的元素。

因為環在乘法下是么半群,所以對於任意的元素a,a×1=a=1×a是環的公理。

由此可得第一種證明思路:取a=0,則0×1 = 1×0 = 0。

第二種證明思路依賴於a×0=0=0×a這個性質,該性質可以直接由環的公理(包括a×1=a=1×a)推導得出:a×0 = a×0 + 0 = a×0 + (a + (-a)) = (a×0 + a) + (-a) = (a×0 + a×1) + (-a) = a×(0+1) + (-a) = a×1 + (-a) = a + (-a) = 00×a = 0×a + 0 = 0×a + (a + (-a)) = (0×a + a) + (-a) = (0×a + 1×a) + (-a) = (0+1)×a + (-a) = 1×a + (-a) = a + (-a) = 0 = a×0值得注意的是,這種證明只需要用到環的公理,不需要假設乘法交換律或乘法的逆運算。

於是,取a=1,則0×1 = 1×0 = 0。綜上所述,兩種思路都可以證明,但第一種直接用公理,步驟略少一些。如果這種證明無法解決題主的疑惑,那麼我就再提供一個因果關係角度的分析。「E是因為C1,還是C2?」這樣的問句往往在詢問實際原因(actual cause)。

例如,「已知以下三種狀況同時存在,車禍的原因到底是司機酒駕,還是雨天路滑,還是剎車故障?」題主的問題,在哲學裡被稱為symmetric overdetermination:列出的任何一個因都能造成這個果。尋找實際原因的過程,通常也是尋找責任(道德責任或法律責任)的過程。但是,我個人不推薦用因果關係的思維解決數學問題。因為,數學中的證明(proof)、蘊含(entailment)、實質條件(material conditional)都是有良定義的概念,學過數理邏輯就可以理解。可是,現實中的因果關係並沒有一個被普遍接受的良定義。在學習因果關係的過程中,我時常會提醒自己:能用嚴謹的數學語言描述的問題,就不必要加入「因果」這樣模稜兩可的詞彙。

例如,identifiability of linear non-Gaussian additive noise model儘管被稱為一個「因果識別」問題,它的實際定義並不包含任何「因果」的成分,用數學就能完美描述。所以,我先前把題主問題中的「因為」轉化成了「可證明」進行論述:從公理「1 乘任何數字都等於那個數」,我們可以證出「1×0=0」;從性質「0 乘以任何數字都等於 0」,我們也可以證出「1×0=0」;從公理「1 乘任何數字都等於那個數」以及環的一些其他公理,我們可以證出性質「0 乘以任何數字都等於 0」。補充:在半環裡,「0 乘以任何數字都等於 0」和「1 乘任何數字都等於那個數」都是公理。本來隨手答的一道題,沒想到上熱榜了。原來的證明雖然沒有錯,但是沒有用最少的公理。這裡重新證一遍a×0=0:a×0 = a×(0+0) = a×0 + a×0a×0 + (-(a×0)) = (a×0 + a×0) + (-(a×0))0 = a×0 + (a×0 + (-(a×0)))0 = a×0 + 00 = a×00×a=0的證明同理,但需要用到右分配律。到此為止,僅用了分配率、加法結合律、加法逆運算、加法單位元。對於任何滿足上述公理的代數結構,a×0=0×a=0都是成立的。同時,我一開始就把1理解為了乘法的雙邊單位元,所以在任何有1的代數結構裡,應該都有公理a×1=1×a=a。

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