数与抽象之把负数和分数放到指数上

把负数和分数放到指数上

“抽象方法的优越性:从熟悉到不熟悉的扩展与意义赋予”

抽象方法还有一点极大的优越性:它使我们能够将熟悉的概念扩展到不熟悉的情况下,赋予其新的意义。我所说的“赋予意义”的确是恰当的,因为我们所做的正是去赋予意义,而不是去发现某种早就存在的意义。这当中有一个简单的例子,那就是我们如何扩展指数的概念。

“抽象方法的应用:解释指数运算中的特殊情况”

如果n是个正整数,那么 a n a^n an即表示n个a相乘的结果。如 5 3 = 5 ∗ 5 ∗ 5 = 125 5^3=5*5*5=125 53=555=125以及 2 5 = 2 ∗ 2 ∗ 2 ∗ 2 ∗ 2 = 32 2^5=2*2*2*2*2=32 25=22222=32。但若以此作为定义,我们就不容易去解释 2 3 / 2 2^{3/2} 23/2这样的表达式,因为你不可能拿出一个半的2,把它们乘在一起。那处理这种问题的抽象方法是什么呢?我们又一次需要抛开寻找内在意义的意识。在本例中即需要忽视 a n a^n an的内在意义,转而考虑关于它的规则。
关于指数运算的两条基本规则是:
E1对任意实数a, a 1 = 0 a^1=0 a1=0
E2对任意实数a和任意一对自然数m、n,有 a m + n = a m + a n a^{m+n}=a^m+a^n am+n=am+an
例如, 2 5 = 2 3 ∗ 2 2 2^5=2^3*2^2 25=2322,因为 2 5 2^5 25表示2×2×2x2×2,而 2 3 ∗ 2 2 2^3*2^2 2322表示(2×2X2) × (2X2),由乘法结合律可知两数相同。

“抽象方法的应用:重新解释指数运算中的特殊情况”

从上述两条规则出发,我们可以迅速重新得到已经知道的些事实。比如,根据E2即知 a 2 = a 1 + 1 a^2=a^{1+1} a2=a1+1等于 a 1 ∗ a 1 a^1*a^1 a1a1;再根据E1,此即为a*a,正如我们所了解的。除此以外,我们现在还能够做更多的事情。让我们用x来表示 2 3 / 2 2^{3/2} 23/2。那么 x ∗ x = 2 3 / 2 ∗ 2 3 / 2 x*x=2^{3/2}*2^{3/2} xx=23/223/2,由E2得知它就是 2 3 / 2 + 3 / 2 = 2 3 = 8 2^{3/2+3/2}=2^3=8 23/2+3/2=23=8。也就是说 x 2 = 8 x^2=8 x2=8。这并没有完全确定下x,因为8有两个平方根。所以我们通常会采取如下的准则。
E3 如果a>0且b是实数,那么 a b a^b ab为正数。
再应用上E3,我们就发现 2 3 / 2 2^{3/2} 23/2是8的正平方根。
这并不是对 2 3 / 2 2^{3/2} 23/2的“真正值”的发现。但这也不是我们对表达式 2 3 / 2 2^{3/2} 23/2的随意解读一一如果我们希望保持规则E1E2E3,这就是唯一的可能性。

“抽象方法的应用:解释指数和对数运算中的特殊情况”

用类似的办法,我们可以对 a 0 a^0 a0给出解释——至少当a不为0时。由E1E2,我们知道 a = a 1 = a 1 + 0 = a 1 ∗ a 0 = a ∗ a 0 a=a^1=a^{1+0}=a^1*a^0=a*a^0 a=a1=a1+0=a1a0=aa0。消去律M5指出,无论a取何值,都有 a 0 = 1 a^0=1 a0=1。对于负指数,如果我们已经知道了 a b a^b ab的值,那么 1 = a 0 = a b + ( − b ) = a b ∗ a − b 1=a^0=a^{b+(-b)}=a^b*a^{-b} 1=a0=ab+(b)=abab,由此推出 a − b = 1 / a b a^-b=1/a^b ab=1/ab。例如, 2 − 3 / 2 2^{-3/2} 23/2就等于 1 / 8 1/\sqrt{8} 1/8
对数是另一个抽象地看会变得更加容易的概念。关于对数,我在本系列文章中要说的不多。但如果它确实困扰你,那么你可以消除顾虑,只要了解它们遵循如下三条规则就足以使你去应用对数了。(如果你希望对数是以e为底而不是以10为底的,只需要在L1 中把10替换为e即可。)
L1 log(10)=1。
L2 log(xy)=log(x)+log(y)。
L3 若x<y,则log(x)<log(y)。
例如,要得到log(30)小于3/2,可以应用L1L2得出log ( 1000) = log (10) +log (100) = log (10) +log (10) +log ( 10) =3。而由L2得出2log(30)=log(30)+log (30)=log(900),又由L3得到log(900)<log(1000)。因此2log(30)<3,即得log(30)<3/2。
在后面的文章里,我还将讨论许多类似性质的概念。试图具体地理解它们会让你感到困惑,但当你放轻松些,不再担心它们什么并且应用抽象的方法时,这些概念的神秘性就消失了。

总结

抽象方法在数学中的应用是十分重要的,特别是在解释指数和对数运算中的特殊情况时。通过抽象方法,我们可以将熟悉的概念扩展到不熟悉的情况下,并赋予其新的意义。在指数运算中,通过基本规则E1E2,我们可以推导出已知的结果,并且可以处理特殊情况如负指数和分数指数。同样地,在对数运算中,通过规则L1L2L3,我们可以解释对数的性质和比较大小。抽象方法的优越性在于它让我们放松对概念的具体理解,而是专注于应用抽象的规则和方法。当我们不再担心具体含义而放松地应用抽象方法时,这些概念的神秘性就会消失。抽象方法的应用不仅适用于数学中的问题,还可以扩展到其他领域,帮助我们解决复杂的情况并赋予新的意义。

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