在数的世界里，为什么要从自然数扩大到实数，进而扩大到复数？
在数的世界里，为什么要从自然数扩大到实数，进而扩大到复数？2017-07-13
远山启
中科院物理所
数的进化回顾从自然数1，2，3，4，…开始，再加上分数、负数、无理数，直到成为实数的发展过程，可以说它很像是许多涓涓细流汇成一条大河。
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自然数添上分数，再添上负数就成为了有理数（当然还要添上0）；有理数再加进无理数就成为实数。可是光有实数还不够，再加上新来的虚数，这就诞生了更广泛的数——复数。
那么，为什么在数的世界里，要从自然数扩大到实数呢？他细想一想，这里有个一贯的原则。比如说，有一个人只知道10以内的数。
1，2，3，…，10
当然对这个人来说：加法也是不太行的。也就是说，即使取其中任意两个数相加，也有可能答不上来。如果是2+3，他知道是5。要是6+7的话，他就只好说“不知道”了。他即使知道10000以内的数也是一样。因为6000+7000的答案不可能在10000以内的数里找出来。因此，为了无限制地进行＋运算，就必须有无限多的自然数。这样就产生了所谓无限多的自然数的整体的想法，这就是
1，2，3，…
想象有这样一个自然数的整体，就可以自由的进行＋运算了。这时，自然数的整体对于＋来说叫做闭合。由于乘法也是自然数的相乘，是加法的重复，因此也能自由地进行。也就说自然数的整体对于×是闭合的。所以在只考虑＋或×的时候。只要自然数就够用，没有必要再考虑新的数。
可是要考虑×的逆运算÷的时候，自然数就不再闭合。因为任意取两个自然数作除法结果却不一定是自然数。例如2÷3的结果就不是自然数。
自然数的范围太狭窄了，要想自由地进行除法运算，就必须增加新的数，这就是分数。在自然数与分数合起来的更宽广的数的范围内，＋，×，÷就可以自由地进行。
然而，想到＋的逆运算－的时候，这个范围又窄了。因为不能从小数减去大数，例如2－5，即使写出这个式子，也得不出答案。为了让这个式子也能有答案，就必须想出－3这样一个新数。也就是说要自由地做－运算，需要有一种新的数——负数。把数的范围扩大到正的自然数、负的自然数及分数，即有理数时，＋，－，×，÷四则运算可以自由的无限制地进行。换句话说有理数对于四则运算是闭合的。
19世纪的天才数学家伽罗瓦把对于四则运算闭合的数的集合叫做域。按照这个叫法，也可以说整个有理数的集合是域。当然，叫域的除了有理数之外还有许多，对于我们来说最熟悉的首先就是有理数。
当数的世界扩展到有理数时，＋，－，×，÷的计算虽然能自由地进行，但是还不具有连续性，所以仍然不能表示直线上所有的点。填满这些空缺就需要无理数。有理数与无理数合起来就是实数。有了实数就可以表示直线上所有的点。
总而言之，实数的集合就是对于＋，－，×，÷闭合的一个域，同时还具有连续性。到此为止，似乎可以认为数的世界扩展可以暂时停止了。
可是，如果实数世界就是终点，数的交响乐不过是缺少最后乐章的未完成的交响乐而已。随着实数而来的最后的乐章就是复数。
四则逆运算以前扩大数的世界时，在很多情况下它的契机是逆运算。例如，由于×的逆运算÷而增加了新的分数；由＋的逆运算－而产生了新的负数。从实数产生复数的契机也仍然基于逆运算。假如我们对于x这样一个实数任意进行＋，－，×，÷四则运算时，可得到以下的式子：
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不管这些式子多么复杂，也只是＋，－，×，÷的组合，所以只要x是实数，代入计算的值就也是实数。
比如设下面式子等于y：
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假定这个式子是从x算出y的，这就是四则运算。
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现在来考虑四则运算的逆运算，也就是从y求出x。例如当y=2时，x等于多少呢？这个计算就是
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为此，只要解答下面的式子求出x，
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去掉分母
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移项得
http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/PhuPUzjk5dw3F6FSn834TSQaPm2or2cdVBKtxDKTHo24iaia1icNVz7ohiapoc2W2Ju4Zf613CQbeGarVs1FtZJguQ/0?解满足这个方程的x，结果呢？所谓 http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/PhuPUzjk5dw3F6FSn834TSQaPm2or2cdL24PcJRt5nOj3n6RXmnV06WPf0dSrOPp7NWgDjyA1b8RZg8MnYvjSg/0? 的逆运算不过是解代数方程 http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/PhuPUzjk5dw3F6FSn834TSQaPm2or2cdVBKtxDKTHo24iaia1icNVz7ohiapoc2W2Ju4Zf613CQbeGarVs1FtZJguQ/0?，只此而已。
以前也有这样的事，就是逆运算要比原来顺运算难，如－比＋难，÷比×难。现在的情况也是如此，解代数方程的运算是比四则运算要难。
http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/PhuPUzjk5dw3F6FSn834TSQaPm2or2cdSMLl2IB38nRvXibFdqqo8BlQlXAiasTwZvwAFFYambo7BAYPEV0UHzjg/0?
那么在实数的范围里，能不能自由地进行解这个代数方程的运算呢？答案是否定的。请看下面的实例。
在四则运算 http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/PhuPUzjk5dw3F6FSn834TSQaPm2or2cdtdg4re5LNh0Sy8uicnBL6j1tgQkqDDQg508dbu6xRv7P6Ym7uUDvVzw/0? 中，要是反过来从y求x的话，就不是任何时候都能行得通的。如果y是正数
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可以求出实数x。如果y是负数，例如y=－1就不能在实数范围内找出与之对应的x。因为（实数）² 决不会是负数。
因此我们知道，在实数的范围内，对于四则运算的逆运算“解代数方程”来说，不是闭合的。要想自由地解代数方程，就必须打破实数的框框，导入新的数。这个新的数就是虚数。
* 本文节选自《数学与生活（修订版）》，远山启著，人民邮电出版社。
来源：每天好玩的数学编辑：J.C
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