§4-3  負負得正與 ℚ 的天窗

負負得正能從公理證出來嗎?兩數相乘得 0 時,憑什麼斷定其中一個是 0?而有理數構成的系統,缺了哪一個數?

負負得正是定理,不是規定

小學課堂上總有人舉手問:為什麼負負得正?常見的回答是「規定就是這樣」。這個回答只對了一半——它確實不必另立新規定,因為九條公理已經把答案鎖死:要是 (−1) · (−1) 等於別的數,分配律那座橋自己會塌。本篇把這筆帳算給你看,工具全是上一篇備好的:4.2 與 4.3 的唯一性——想證「某數 = −a」,驗一條 a + 某數 = 0 就夠。

符號的規則五條(4.5)

4.5  THEOREM
For any real numbers a and b:
(a) a · 0 = 0;
(b) −a = (−1) · a;
(c) −(a + b) = (−a) + (−b);
(d) −(−a) = a;
(e) (−1) · (−1) = 1.
對任意實數 a、b:乘 0 歸 0(a);取負號等於乘 −1(b);和的負號逐項分發(c);負號兩次抵銷(d);負負得正(e)。五條環環相扣:(b) 把「負號」翻譯成「乘法」,(e) 靠 (b) 與 (d) 合力收官。
正例:a = 3、b = 2 逐條過帳——3 · 0 = 0、−3 = (−1) · 3、−(3 + 2) = −5 = (−3) + (−2)、−(−3) = 3。反例:把 (c) 誤記成 −(a + b) = (−a) + b——代 a = b = 1,左端 −2、右端 0,一驗即破;憑公理算帳的好處就是錯誤的「規則」活不過一組數字。
PROOF

五小題共用一個引擎:4.2(a) 與 4.3(a) 的唯一性——湊出一條「x + 某數 = x」或「a + 某數 = 0」形式的等式,身分立即判定。

Proof.  (a) By (M3), a · 1 = a. Hence
a + a · 0 = a · 1 + a · 0 = a · (1 + 0) = a · 1 = a,
and Theorem 4.2(a) forces a · 0 = 0.
這一步的所求:證 a · 0 是零元的化身。辦法不是直接算它,而是讓它滿足零元的判定等式:湊出 a + a · 0 = a。湊法從 a = a · 1 出發,把 a · 1 + a · 0 用分配律 D 倒著收成 a · (1 + 0),括號裡 A3 歸 1,於是整串等於 a。等式湊齊,4.2(a) 點名:能讓「加了等於沒加」的只有 0,所以 a · 0 = 0。這也兌現了 §4-2 的預告:0 乘任何數都到不了 1,M4 拒發倒數有理有據。
(b) By (M3) and (D),
a + (−1) · a = 1 · a + (−1) · a = (1 + (−1)) · a = 0 · a = 0,
where the last step uses part (a) together with (M1). Theorem 4.3(a) then identifies (−1) · a as −a.
所求:證 (−1) · a 正是 a 的反元素。同一套辦法:讓它與 a 相加歸到 0——先把 a 換裝成 1 · a,分配律倒收成 (1 + (−1)) · a = 0 · a,再由 (a) 配 M1 歸 0。等式 a + (−1) · a = 0 到手,4.3(a) 判定身分:(−1) · a = −a。從此「取負號」不再是獨立動作,而是「乘上 −1」的縮寫——後面 (c)、(e) 全吃這條翻譯的紅利。
(c) Using part (b) twice and (D),
−(a + b) = (−1) · (a + b) = (−1) · a + (−1) · b = (−a) + (−b).
有了 (b) 的翻譯,(c) 是例行過帳:負號寫成乘 −1,分配律把它逐項發下去,再各自翻譯回負號。數字對照:−(3 + 2) = (−1) · 5 = −5 = (−3) + (−2)。
(d) By (A4), (−a) + a = 0. Reading this equation through Theorem 4.3(a) — with −a in the leading role — shows that a is the additive inverse of −a; that is, a = −(−a).
這一步一行字卻值得放慢:A4 的等式 (−a) + a = 0 本來是替 a 立反元素,換個代入對象重讀——把 −a 放到 4.3(a) 裡 a 的位置——同一條等式就變成「a 與 −a 相加得 0」的身分證明,4.3(a) 判定 a = −(−a)。一條等式,兩種讀法,一次都沒重算。
(e) Put a = −1 in part (b): −(−1) = (−1) · (−1). But part (d) with a = 1 reads −(−1) = 1. Therefore (−1) · (−1) = 1.
收官是兩條已證事實的會師:(b) 代 a = −1 說「(−1) · (−1) 是 −1 的反元素」,(d) 代 a = 1 說「−1 的反元素是 1」。既然反元素是獨生子(4.3),兩個描述指向同一人:(−1) · (−1) = 1。負負得正結案——用掉的只有九條公理與兩條唯一性,沒有任何新規定。
負號的全部文法——歸零、翻譯、分發、抵銷、負負得正——都是公理的必然後果。∎
乘 −1 = 以 0 為軸翻面 2−20 × (−1) −220 再 × (−1):回到原地

這張圖是 4.5(b)、(d)、(e) 的直觀對照(證明本身走代數帳):乘 −1 是以 0 為軸把數線翻面,2 翻到 −2;再翻一次回到 2——「翻兩次等於沒翻」正是 (−1) · (−1) = 1 的畫面版。

乘法的紅利四條(4.6)

負號的文法立好,乘法這邊再領四條紅利——其中 (b) 是整節最常被日後引用的一條:兩數相乘得 0,必有一方是 0。

4.6  THEOREM
(a) If a ≠ 0, then 1/a ≠ 0 and 1/(1/a) = a.
(b) If a · b = 0, then a = 0 or b = 0.
(c) (−a) · (−b) = a · b for all real a, b.
(d) If a ≠ 0, then 1/(−a) = −(1/a).
(a) 非零數的倒數仍非零,而且倒數的倒數回到自己;(b) 乘積為 0 就必有一個因子是 0——ℝ 沒有「兩個非零的數相乘歸零」這回事;(c) 負負得正的一般版;(d) 負號可以自由進出倒數。
正例:解方程 (x − 2)(x − 3) = 0 時斷言「x = 2 或 x = 3」,引用的正是 (b)——因式分解解方程的合法性來源。反例:換到「時鐘算術」(只看 12 的餘數)裡,3 · 4 = 12 ≡ 0 而 3、4 都不是 0——那個系統不是 field,(b) 的紅利領不到;這條性質是公理的後果,不是所有數系的通則。
PROOF

四小題各自獨立,引擎仍是 4.3 的唯一性與「同乘倒數」。(b) 用反證的口吻寫:設一方非零,逼另一方歸零。

Proof.  (a) Suppose a ≠ 0, so 1/a exists. Were 1/a = 0, then 1 = a · (1/a) = a · 0 = 0 by 4.5(a) — contradicting (M3). Hence 1/a ≠ 0. Since (1/a) · a = 1, Theorem 4.3(b) — applied to the non-zero number 1/a — identifies a as 1/(1/a).
前半是小反證:倒數若是 0,等式 a · (1/a) = 1 的左端會被 4.5(a)(乘 0 歸 0)壓成 0,逼出 1 = 0——M3 明文禁止。後半又是「一條等式換個代入對象重讀」:(1/a) · a = 1 說明 a 與 1/a 相乘得 1,把 1/a 放到 4.3(b) 裡 a 的位置、判定 a 就是它的倒數——1/(1/a) = a,例行核對。
(b) Suppose a · b = 0 and a ≠ 0; we show b must vanish. Multiplying by 1/a,
b = 1 · b = ((1/a) · a) · b = (1/a) · (a · b) = (1/a) · 0 = 0,
where the last equality is 4.5(a). If instead b ≠ 0, the same argument with 1/b shows a = 0.
「或」的證法是任揀一個活口:若 a ≠ 0,同乘 1/a——M3 換裝、M4 相消、M2 挪括號、代入假設 a · b = 0、最後 4.5(a) 收尾——b 被一路押到 0。這條定理的日常名字叫「因式分解解方程」:乘積歸零,因子必有一個歸零,所以 (x − 2)(x − 3) = 0 可以放心拆成兩個小方程。數字對照:3 · b = 0 同乘 1/3,得 b = 0。
(c) By 4.5(b), −a = (−1) · a and −b = (−1) · b. Using (M1) and (M2) to regroup, and then 4.5(e),
(−a) · (−b) = ((−1) · a) · ((−1) · b) = ((−1) · (−1)) · (a · b) = 1 · (a · b) = a · b.
(c) 是 4.5(e) 的一般版,帳目三步:兩個負號都翻譯成乘 −1(4.5(b)),交換結合把兩個 −1 湊到一起(M1、M2 例行搬運),負負得正 (−1) · (−1) = 1(4.5(e))之後 M3 脫帽。數字對照:(−3) · (−2) = 6 = 3 · 2。
(d) Suppose a ≠ 0; then −a ≠ 0 as well, for −a = 0 would give a = −(−a) = −0 = 0 by 4.5(d). Since part (c) yields (−a) · (−(1/a)) = a · (1/a) = 1, Theorem 4.3(b) identifies −(1/a) as 1/(−a).
先確認 −a 有資格談倒數:若 −a = 0,兩邊取負號、由 4.5(d) 得 a = 0,與假設不合——所以 −a ≠ 0。接著驗 −(1/a) 的判定等式:與 −a 相乘,(c) 把兩個負號對消,剩 a · (1/a) = 1——4.3(b) 判定身分:1/(−a) = −(1/a)。負號從此可以自由進出倒數記號。
四條紅利入帳,最值錢的是 (b):ℝ 裡乘積歸零必有因子歸零——這條性質日後解方程、證唯一時會一再回來。∎

書寫慣例與有理數

接下來立幾條書寫公約,替後面的章節省字。乘點從此省略:ab 就是 a · b。冪次遞迴定義:a² = aa、a³ = (a²)a,一般地 aⁿ⁺¹ = (aⁿ)a;用數學歸納法(沿 n 逐級接力)可證指數律 aᵐ⁺ⁿ = aᵐaⁿ。數字本身也是縮寫:2 是 1 + 1、3 是 2 + 1,依此類推。減法與除法正式立約:b − a 是 b + (−a) 的縮寫,b/a(a ≠ 0)是 b · (1/a) 的縮寫——它們的「解方程」身分由 4.4 擔保。負冪也一併備妥:a⁻¹ = 1/a、a⁻ⁿ = 1/aⁿ(a ≠ 0),指數律隨之延伸到整數指數。

公約立好,替一批老朋友補發代數身分證:形如 b/a(a、b 是整數、a ≠ 0)的實數稱為 rational number(有理數),全體記作 ℚ——§1 掛過牌、§3 清點過(countable),§4-1 例 2 又驗明它自己就是一個 field。不是有理數的實數稱為 irrational number(無理數)。順帶澄清字源:rational 來自 ratio(比值),irrational 是「寫不成整數之比」,不是「不講道理」——中譯「無理數」沿用已久,記得它冤枉。

於是一個尖銳的問題浮上來:無理數真的存在嗎?會不會「寫不成整數之比」的實數根本是空集合?本節壓軸給出第一個具體的缺口。

ℚ 的第一個缺口(4.7)

4.7  THEOREM
No rational number r satisfies r² = 2.
不存在平方等於 2 的有理數。換句話說:若 ℝ 裡真有一個數的平方是 2(它就是日後的 √2),這個數必是無理數——ℚ 在這個位置開了天窗。
正例:逐個試給你看——7/5 的平方是 49/25 = 1.96,差一點;17/12 的平方是 289/144 ≈ 2.007,又過了頭——再怎麼逼近就是踩不中。反例:把目標換成 r² = 4 就有 r = 2 正中——「踩不中」是 2 這個目標的特性,不是平方運算的通病。
PROOF

反證。設有有理數 r = p/q(p、q 為整數)使 r² = 2,以下推出矛盾。奇偶帳在整數裡算,用到的只有「奇數的平方是奇數」這類 ℤ 的常識,證明內現算。

證明計畫 · 由所求想起
要證:沒有有理數平方後等於 2。
⇢ 反證:假設 (p/q)² = 2,先把分數約到最簡——p、q 沒有公因數。
⇢ 整理成 p² = 2q²,從等式讀出 p 是偶數。
⇢ 把 p = 2k 代回,同一句話再讀一次:q 也是偶數。
⇢ 兩人同時是偶數,與「約到最簡」對撞——假設崩潰。
Proof.  Suppose, to the contrary, that (p/q)² = 2 for some integers p, q. Without loss of generality we may take p and q to have no common integral factor — otherwise cancel it first.
開場先做一次無傷大雅的整理:分數可以先約分再上場——14/10 與 7/5 是同一個有理數,挑約到最簡的那個代表出賽即可。「p、q 沒有公因數」這句話眼下只是備案,整場反證的引爆點就埋在這裡:最後我們會逼出「兩人都被 2 整除」,正面踩爆這個約定。
Clearing denominators turns the hypothesis into p² = 2q², so p² is even. Then p itself must be even: were p = 2k + 1 odd, its square p² = 4k² + 4k + 1 = 2(2k² + 2k) + 1 would be odd — impossible. Write p = 2k.
兩邊同乘 q²,假設變成 p² = 2q²:右端明擺著是偶數,所以 p² 是偶數。接著補上關鍵的一小步——為什麼 p² 偶就逼得 p 偶?看反面:假如 p 是奇數,寫成 2k + 1,平方展開 4k² + 4k + 1,前兩項都能被 2 整除、尾巴多出一個 1——奇數的平方必是奇數。數字對照:7² = 49 奇、6² = 36 偶——平方不會改變奇偶。所以 p 只能是偶數,記 p = 2k。
Substituting p = 2k gives 4k² = 2q², hence q² = 2k². By the same parity argument, q is even as well.
代回去:(2k)² = 4k² = 2q²,兩邊同除 2(在整數裡就是消去一個因子 2)得 q² = 2k²——這條等式的長相與上一步的 p² = 2q² 一模一樣,只是主角換人。於是同一句話對 q 再讀一次:q² 是偶數,所以 q 是偶數。
Now both p and q are divisible by 2 — contradicting the choice of p, q without common factor. Therefore no rational number has square 2.
矛盾收口:p 偶、q 也偶,表示 2 是兩人的公因數——可是開場明明選了「沒有公因數」的最簡代表。約定被自己的後果踩爆,最初的假設「存在平方得 2 的有理數」只能放棄。
整數之比無論怎麼選,平方永遠踩不中 2——ℚ 的天窗正式立案。∎
p² = 2q² p 是偶數(奇數的平方是奇數) p = 2k 代回:q² = 2k² ⟹ q 也是偶數 p、q 同被 2 整除——與「沒有公因數」對撞 同一句「平方保奇偶」讀了兩次,矛盾自己走出來

這張圖在證矛盾的行進路線(反證現場):等式 p² = 2q² 先逼 p 交出偶數身分,代回後同一句話再逼 q——兩個「偶」疊在「約到最簡」的約定上,反證閉合。

最後把鏡頭拉遠。例 2 驗過 ℚ 是 field、ℝ 由公理欽定也是 field——單看九條代數公理,兩者無從分辨。可是 4.7 說 ℚ 在「平方得 2」的位置開了天窗,而 ℝ(日後會證明)在那裡站著 √2。結論只有一個:ℝ 比 ℚ 多出的東西,不在代數規則裡——§3 結尾的那道鴻溝,今天有了第一個具體座標。要抓住這個差別,需要代數之外的新規則——這正是接下來兩節的任務。

—— 第三階段到此結束,整個 §4 收工 ——

回望一整節:兩入一出的 binary operation、field 的九條公理(4.1)、零元單位與反元素的唯一性(4.2、4.3)、解方程(4.4)、負號與乘法的全套文法(4.5、4.6),最後是 ℚ 的天窗——沒有有理數平方得 2(4.7)。整節收工,出門散個步再回來。臨走前一則:√2 在有理數餐廳門口被攔下來,店員很客氣——「抱歉,本店只收整數之比。」

下一幕預告

代數公理管「怎麼算」,可是它對「誰大誰小」隻字未提——九條公理裡找不到 < 這個符號。§5 立第二批規則:挑出一批「正數」,用三條公理管好它們,整套比大小的語法——不等式、絕對值、區間——全部從這一批正數長出來。而 §4 留下的天窗要等到 §6 的完備性公理才補得上:那才是 ℝ 與 ℚ 真正分道揚鑣的地方。