复数的乘法为什么会定义成这副样子?

发布时间:
2023-08-15 23:34
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在扩展已有概念的时候首先尝试的自然是沿用已有的性质。我们假设有这么一个对象 满足 ,首先会认为它有着和实数一样的四则运算性质(分配律、交换律、结合律等,不然应用起来会非常困难,将质疑这个新定义的价值),但它肯定不是实数,那么加法 就只能保持这样的形式,无法化简,就仿佛 是一个未知量一样;乘法同理。此时自然有

\begin{aligned} (a + b\mathrm{i})(c + d\mathrm{i}) &= a(c + d\mathrm{i}) + b\mathrm{i}(c + d\mathrm{i}) \\ &= ac + ad\mathrm{i} + bc\mathrm{i} + bd\mathrm{i}^2 \\ &= (ac - bd) + (ad + bc)\mathrm{i} \end{aligned}\\但这终究是一个启发性的探索,并没有严格说明满足这种性质的 存在。

不难注意到 是一一对应的,自然可以把复数乘法定义为
然后可以逐个验证这个定义真的满足交换律、结合律、分配律等数域的性质,这才证实了我们的猜测。最后定义 即可。


数对的思想其实不仅限于复数。假设我们已经定义了自然数相关的一切运算,在定义整数时,整数可以表示成一个自然数对 ,在直觉上它表示 ,那么两个整数相等时,即 时自然有 ,于是整数 相等(被定义为)当且仅当 ,这个定义只涉及自然数加法,且乍一看和整数之差的关联没那么强,但它确实是由一些不严谨的直觉引导出来的。

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