0到底是不是自然數?

2021-02-15 閒著好歹也是閒著

鑑於大批中小學生父母都曾經被這個問題困惑過,有必要作個解釋。

古典自然數概念不包含0這個數字,學生家長們從小受到的教育也都是這麼說的。當年的小學生如今為人父母,看見現行中小學數學教材,要麼斷定教育部胡說八道誤人子弟,要麼懷疑自己打小學的是假數學。事實上,最新的自然數定義是由ISO在2009年給出的(ISO 80000-2:2009,全名為「數值與單位——第二部分:應用於自然科學與技術中的數學記號和符號」,Quantities and units — Part 2: Mathematical signs and symbols to be used in the natural sciences and technology)。

ISO修改了自然數定義後,中小學教材當然也必須做修改。問題是教育部修改了教材,卻沒有對修改原因和自然數概念的歷史淵源做任何解釋,引發誤解也就在所難免。誤人子弟雖然未必,混餚視聽的罪名是跑不了的。

那麼ISO為什麼要修改自然數的定義?原因有三。首先,自然數是數學體系中最基礎的概念,而0是10個基本計數符號之一。基本計數符號不包含在最基礎的入門觀念裡,怎麼都有點說不過去。其次,0在加法運算中具有不變性,而不變性是現代數學最重要的觀念之一,有必要體現在任何數學概念裡。最後,帶餘除法是自然數基本運算法則之一,如果沒有0就無法完整解釋帶餘除法。所以這個修改雖然顛覆了絕大多數人幾十年來根深蒂固的習慣思維方式,從教育上講還是有必要的。

Natural Number這個名字具有一定的迷惑性,暗示它好像是天經地義的,是先於人類,在創世之初就存在的。但我老人家早就科普過無數次,數學中不存在任何天經地義的觀念。再「自然」的自然數,也必須有個規範化的嚴格定義。現代自然數的定義是由義大利數學家居塞皮·皮亞諾(Giuseppe Peano, 27 August 1858 – 20 April 1932)在1889年給出的。

 

自然數之父

 

皮亞諾一共使用九條公理,對自然數做出了最嚴謹最規範的定義。可以說整個現代數學體系都是建立在這九條公理之上的。皮亞諾公理的第一條即規定「1是第一個自然數」。這也就是學生家長們打小認定「0不是自然數」觀念的由來。

皮亞諾剛剛提出他的九公理體系後不久就有人提出異議,認為應該把0作為第一個自然數。事實上第一個自然數無論是0還是1,對整個自然數體系的邏輯架構都沒有影響。但是出於對創始人的尊重,人們把自然數的經典定義沿用了整整120年。

下面附錄經過ISO修改過的皮亞諾九公理。對數學基礎觀念有興趣的人可以了解下。

皮亞諾九公理1:自然數的存在性

公理1:自然數體系中至少包含一個元素,這個元素是0。

皮亞諾九公理2-5:等號的定義

公理2:若x是自然數,則x=x。

公理3:若x,y都是自然數,且x=y,則y=x。

公理4:若x,y,z都是自然數,且x=y,y=z,則x=z。

公理5:若x是自然數,且y=x,則y是自然數。

皮亞諾九公理6-8:自然數的局部結構

公理6:每個自然數x都有一個唯一的後續,記做x+1,自然數的後續也是自然數。

公理7:若自然數x=y,則必有x+1=y+1,反之亦然。

公理8:0不是其他任何自然數的後續,即不存在自然數x,使得x+1=0。

皮亞諾九公理9:自然數的整體結構

公理9:數學歸納法。

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