【數學】0的0次方到底等於幾?

2021-01-14 周花卷

有一次,Vita哥哥問了我一個非常刁鑽的問題:


0的0次方等於幾?


他能問出這個問題也是蠻出乎意料的,因為這個問題好像到初中數學才會講到。我讓他猜猜看,他說他覺得應該等於0,因為0無論和自己相乘多少次,結果應該都是0。


唔,我只能說,這個思路還算合理吧,0的N次方(N≠0)都等於0。但是,N的0次方(N≠0)卻又都等於1呢!那麼問題來了:


0的0次方,到底應該等於幾?


Vita決定用計算器算一下,結果顯示是等於1



這下有意思了吧!可是,這是為什麼呢?


首先,我需要跟Vita解釋一個數的0次方到底有什麼意義


乘方的基本概念是連續乘法,比如2的3次方就是2x2x2,但是0次方是個啥呢?這個問題有點像之前一篇文章說的,兩個負數相乘的意義也沒辦法用乘法的概念去解釋,而是需要用數學方法去推理,這裡0次方也是一樣。


我們舉個例子:



如果我們把這兩個數字相除:



因為分子有4個2,分母只有3個2,所以很顯然,結果等於2。這時就可以讓Vita找找規律了,2的4次方除以2的3次方,指數是怎樣變化的呢?他發現得還挺快:



沒錯,只要把指數相減就可以了唄。到這裡,0次方的意義也就呼之欲出了:



所以0次方的意義就是一個數的任意次方除以它自己,那麼結果必然是1,這一結論對於任何數都成立,唯一的例外就是0,因為:



0的N次方(N≠0)都等於0,於是分子分母都是0,這就沒法算了,因為除以0是沒有意義的


如果我沒記錯的話,在初中數學課本裡面,寫的就是0的0次方沒有意義,理由就是除數為0本身就沒有意義。


本來說到這裡就可以了,可是不行啊,因為計算器告訴他0的0次方等於1,這可咋辦,真要命


其實,0的0次方等於1,這是為了計算方便規定出來的,比如學冪級數的時候都這麼算,你說有沒有道理呢?還是有的,但是跟娃講就有點難度了,我只能跟他說,下面這些,你聽聽就好,不懂也沒關係,哈哈


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首先,我們可以把0的0次方改寫成一個二項式的冪,這樣:



然後,牛頓有一個叫二項式定理的東西,本質上跟楊輝三角形是一回事,它可以計算(x+y)的n次方的展開式:



額,看起來很暈?沒關係,算0次方很簡單的,因為求和就只有1項而已啦:



於是我們把0的0次方等於幾變成了一個求組合數C(0,0)的問題,也就是說,一個袋子裡面有0個球,現在要拿出其中的0個,有幾種拿法?我們可以說,有1種拿法,那就是什麼都不拿!所以0的0次方就等於1啦。。。


額,感覺怎麼樣,這個解釋特別牽強是吧?我覺得也是,不過在排列組合中,從N個元素的集合取出0個元素,結果就是1,而且如果把組合數展開的話:



因為數學上已經規定了0!(0的階乘)等於1,而且這樣能夠使這個算式有意義,於是組合數C(0,0)就等於1,於是0的0次方也就等於1


那麼,為什麼0的0次方不能等於0呢?Vita說的那個思路為什麼不對呢?


從二項式定理來看,如果要讓0的0次方等於0,那就意味著組合數C(0,0)等於0。而C(0,0)的展開式是0! / (0! x 0!)(看上面那個式子),如果要讓這個式子的結果等於0,那麼分子就要等於0,也就是0!要等於0,但這樣一來,分母也會為0,於是整個式子就沒意義了,所以C(0,0)不可能等於0,0的0次方也不可能等於0。


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好了,總結時間到,0的0次方到底等於幾?




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