【冷知识】0个乘数的乘积是多少

文摘   2024-09-03 10:34   北京  

你知道吗?


0个乘数相乘也有乘积!因为它是空空如也的乘数列表“相乘”得出的“乘积”,因此叫作“空积”(empty product)。那么,空积应该等于多少呢?

0个加数相加


黑板上写着2、4、9这三个数。如果老师指着黑板问:黑板上的数加在一起得多少?你肯定能脱口而出:15!

如果老师把黑板上的数字擦干净,再指着黑板问:黑板上的数加在一起得多少?你会怎么回答呢?这个问题难不倒你,空的黑板上一个数都没有,加在一起当然是0咯!

回答正确!0个加数相加的结果当然是0。这不难理解,因为符合大部分人的直觉。

0个乘数相乘


好了,我们再来看接下来这个类似的情况。

黑板上写着2、4、9这三个数。如果老师指着黑板问:黑板上的数乘在一起得多少?你肯定也能脱口而出:72!

可如果老师把黑板上的数字擦干净,再指着黑板问:黑板上的数乘在一起得多少?这回,你又会怎样作答呢?空的黑板上一个数都没有,那么答案……还是0?

这回可不是了哟!

没有数怎么算乘积?


为了得到问题的答案,我们可以换一个思路来解决。黑板上原本有3个数,我们可以算出来它们的乘积,那么我们不妨通过不断减少乘数个数的方法,观察它们的乘积会怎么变。

如果把黑板上的9擦掉,再看黑板上剩下的数乘在一起得多少,还剩2和4,乘积等于8。发现了吗?从一堆数里去掉了一个9,它们的乘积就变成了原来的1⁄9。

如果黑板上的4也被擦掉了,黑板上只剩下2了,你觉得乘积变成多少了呢?没错,乘积从8变成了2。这是变成了原来的1⁄4,分母4就是我们从黑板上擦掉的那个数。

那如果把最后剩的这个2也擦了,按照前面的逻辑,乘积会怎么变呢?应该是会变成原来的1⁄2,也就是1。

所以,我们一起得出了结论:0个乘数乘在一起的结果是1

这个结论合理吗?


你可能觉得这个结果并不太符合直觉,什么都没有的情况下,怎么就乘出了一个1呢?其实我们在前面的步骤里就很自然地接受了这个结果,只是你可能还没意识到。

当黑板上只剩下一个数2的时候,我们为什么说乘积是2呢?只有一个数怎么算乘法呢?这一步里,我们就默认了0个数的乘积是1,所以给2乘上0个数的乘积,2乘1还是2。如果0个数的乘积真的等于0,那么,单独一个数的乘积也会变成0,这才是不合理的。

空积1为乘法运算提供了一个起始的基础状态。从这个状态出发,乘上第1个数,就会得到这个数本身。再继续乘更多的数,乘积也会一个一个积累起来。如果在此基础上乘上0个数,乘积不应该发生改变,所以就相当于乘了一个1。所以0个乘数的乘积是1。

很多计算都有起始状态。比如加法,我们刚才说了,0个数相加等于0,所以在此基础上加上第1个数,就会得到这个数本身。继续增加一个个的加数,这些数的和就会逐渐积累起来。如果在此基础上加上0个数,和不应该发生改变,所以就相当于加了一个0。所以0个加数的和是0。

如果你感兴趣,可以再进一步搜一搜什么叫“单位元”(identity element),在这里我们就不展开说了。

数学中的自圆其说


昨天我们在讨论1到底算不算质数的时候,就说过数学里的这种现象。很多结论看似是数学家任性规定的,比如1曾经一度算是质数,后来又被剥夺了质数的身份,这其实都是经过严密论证后得出的结论。0个乘数的乘积为1,实际上确实和很多其他的数学规定是相符的。只有这种可以在数学中“自圆其说”的结论,才能在数学大厦中立稳脚跟。

你有没有学过一个非零数的0次方等于1?很多同学学到这里就糊涂了,0次方,相当于一次也没有乘,哪来的1?现在再来看这件事情就不奇怪了吧!2的3次方就是3个2相乘,结果等于8;2的0次方就是0个2相乘,0个数的乘积不就是1吗?

再来说一个复杂点的。从7个物体里选出3个物体,一共有35种选法。怎么算呢?有一个“公式”,从7开始往前乘3个数当分子,从1开始往后乘3个数当分母,所得的(7×6×5)/(1×2×3) = 35就是答案。类似地,从7个物体里选出2个物体,一共有21种选法。套用我们说的公式:(7×6)/(1×2) = 21。从7个物体里选出1个物体呢?咱们一眼就能看出是7种选法,不过硬要用公式也不是不可以,算式就是7/1,算出来还真是7。

问题来了:从7个物体里选出0个物体有多少种选法?按照我们的公式,分子是从7开始往前乘0个数,分母是从1开始往后乘0个数。分子、分母都含0个乘数,那分子、分母实际上都等于1,所以得数就是1。这也完全符合常理,从7个物体里选出0个物体,当然只有1种方案,那就是“什么都不选”。

而1, 7, 21, 35, ...这些数正好就是杨辉三角里相应那一行里的数,也就是x+1的7次方的展开式中的各项系数。你看,0个乘数相乘等于1的结论,是不是在数学现有的圈子里全圆回来了?


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