这是一个没有定论的问题。
我个人是支持自然数包含「0」的,并且:
下面尝试描述下关于这个问题的各个方面。
数数的时候,我们一般从1开始数:
尺子却是从0开始丈量:
那么是从“0”开始“自然”还是从“1”开始“自然”,在不同历史不同文明中颇有争论。
我们看看数学家是怎么认识这个问题的?
朱塞佩·皮亚诺 (1858-1932)是意大利数学家、逻辑学家、语言学家。
他在1889年发表的《算术原理新方法》中提出了定义自然数的五个公理,史称皮亚诺公理:
从这篇历史文献来看,公理明确指出自然数是从1开始的,翻译为易读的语言大概是(关于这五个公理的详细解释请参考这篇文章,不过此文是从0开始介绍自然数的):
公理1:1是自然数。
公理2:每一个确定的自然数 ,都有一个确定的后继数 , 也是自然数。
公理3:1不是任何自然数的后继数。
公理4:不同的自然数有不同的后继数。
公理5:任意关于自然数的性质,如果证明了它对自然数1是对的,又假定它对自然数 为真时,可以证明它对 为真,那么命题对所有自然数都真。
简而言之,皮亚诺公理通过1和它的后继数们,构成了自然数:
这些自然数在不同的文化中有不同的命名:
很显然,就上述五个公理而言,从0开始还是从1开始都是符合的:
哪怕从22开始都可以,不过从22开始很不符合常识,这个就不讨论了。
那么究竟应该0还是从1开始自然数呢?
3.1 加法、减法、整数
有了皮亚诺公理,就比较容易定义加法了(关于加法的定义,请参考这篇文章,下面的用法比较通俗,可能产生混淆):
那么如果有0的话,可以这么来表示“原地踏步”:
抵消相加效果,使之“原地踏步”的运算,就是加法的逆运算,减法(其实可以跳过“原地踏步”这个定义,可自行思考):
我觉得更有用的是,有了0之后,还可以定义相反数:
则 为相反数。这样就可以通过加法,把自然数扩展到整数:
3.2 群论
上面说的并不严格,从群论角度更严格一些(关于群论请参考这篇文章)。
首先来看下半群:
封闭性:对于 ,有
结合性:对于所有 ,有
在半群基础上,增加:
单位元:存在 ,使得对于所有中的元素,有
幺半群的基础上,增加:
逆元:对于 ,存在 ,使得 ,其中 是单位元
半群、幺半群、群之间的关系是:
群的性质好于幺半群,好于半群。
可见“0”在其中起到了重要作用,在这里,“0”比“1”要重要。
3.3 自然数与群论
如果自然数从1开始,结合上加法,那么满足:
封闭性:对于 ,有 。
结合性:对于所有 ,
此时定义出来的自然数是一个半群。
增加加法的单位元:
此时定义出来的自然数是一个幺半群,自然数需要从0开始。
增加加法的逆元:
可以得到整数,这是一个完整的群。
因此:
我想,这大概是一部分数学家支持自然数包含0的主要原因。
除了皮亚诺公理以外,还有等效的构造方式。
Zermelo-Fraenkel的构造方式:
Von Neumann的构造方法:
构造的开始都是 ,所以一般都会认为是从0开始的。
当然,如果自然数不包含0,至少有以下好处:
,总是成立
,总是成立
国外有些教材好像自然数不包含0,最保险的或许如下表示包含0或者不包含0:
其中, 是整数。
或许,自然数不自然,有理数不有理。
点击二维码赞赏,您的赞助可以让马同学持续输出更多优秀的数学内容: