В математике отрицательное число является противоположностью (математике) положительного действительного числа . [1] Эквивалентно, отрицательное число является действительным числом, которое меньше нуля . Отрицательные числа часто используются для представления величины убытка или дефицита. Долг , который должен быть выплачен, можно рассматривать как отрицательный актив. Если величина, такая как заряд электрона, может иметь один из двух противоположных смыслов, то можно выбрать различие между этими смыслами — возможно, произвольно — как положительный и отрицательный . Отрицательные числа используются для описания значений на шкале, которая идет ниже нуля, такой как шкалы Цельсия и Фаренгейта для температуры. Законы арифметики для отрицательных чисел гарантируют, что здравый смысл идеи противоположности отражается в арифметике. Например, − −3) = 3, потому что противоположность противоположности является исходным значением.
Отрицательные числа обычно пишутся со знаком минус впереди. Например, −3 представляет собой отрицательное количество с величиной три и произносится как «минус три» или «отрицательная тройка». И наоборот, число, которое больше нуля, называется положительным ; ноль обычно ( но не всегда ) не считается ни положительным, ни отрицательным . [2] Положительность числа можно подчеркнуть, поставив перед ним знак плюс, например +3. В общем, отрицательность или положительность числа называется его знаком .
Каждое действительное число, отличное от нуля, является либо положительным, либо отрицательным. Неотрицательные целые числа называются натуральными числами (т. е. 0, 1, 2, 3...), а положительные и отрицательные целые числа (вместе с нулем) называются целыми числами . (Некоторые определения натуральных чисел исключают ноль.)
В бухгалтерском учете суммы задолженности часто обозначаются красными цифрами или числом в скобках в качестве альтернативного обозначения для представления отрицательных чисел.
Отрицательные числа использовались в « Девяти главах о математическом искусстве» , которые в своей нынешней форме датируются периодом китайской династии Хань (202 г. до н. э. — 220 г. н. э.), но вполне могут содержать гораздо более старый материал. [3] Лю Хуэй (ок. 3 в.) установил правила сложения и вычитания отрицательных чисел. [4] К 7 в. индийские математики, такие как Брахмагупта, описывали использование отрицательных чисел. Исламские математики далее разработали правила вычитания и умножения отрицательных чисел и решали задачи с отрицательными коэффициентами . [5] До появления концепции отрицательных чисел математики, такие как Диофант, считали отрицательные решения задач «ложными», а уравнения, требующие отрицательных решений, описывались как абсурдные. [6] Западные математики, такие как Лейбниц, считали отрицательные числа недействительными, но все равно использовали их в вычислениях. [7] [8]
Связь между отрицательными числами, положительными числами и нулем часто выражается в виде числовой прямой :
Числа, которые находятся правее на этой линии, больше, а числа, которые находятся левее, меньше. Таким образом, ноль находится посередине, положительные числа справа, а отрицательные слева.
Обратите внимание, что отрицательное число с большей величиной считается меньшим. Например, хотя (положительное) 8 больше, чем (положительное) 5 , записанное
Минус 8 считается меньше минус 5 :
В контексте отрицательных чисел число, большее нуля, называется положительным . Таким образом, каждое действительное число, отличное от нуля, является либо положительным, либо отрицательным, в то время как сам ноль считается не имеющим знака. Положительные числа иногда пишутся со знаком плюс впереди, например, +3 обозначает положительную тройку.
Поскольку ноль не является ни положительным, ни отрицательным, термин «неотрицательный» иногда используется для обозначения числа, которое является либо положительным, либо нулевым, в то время как «неположительный» используется для обозначения числа, которое является либо отрицательным, либо нулевым. Ноль — нейтральное число.
Отрицательные числа можно рассматривать как результат вычитания большего числа из меньшего. Например, минус три — это результат вычитания трех из нуля:
В общем случае вычитание большего числа из меньшего дает отрицательный результат, причем величина результата равна разнице между двумя числами. Например,
так как 8 − 5 = 3 .
Знак минус "−" обозначает оператор как для бинарной (двухоперандной ) операции вычитания ( как в y − z ), так и для унарной (однооперандной) операции отрицания (как в − x , или дважды в −(− x ) ). Особый случай унарного отрицания возникает, когда оно применяется к положительному числу, и в этом случае результатом является отрицательное число (как в −5 ).
Неоднозначность символа "−" обычно не приводит к неоднозначности в арифметических выражениях, поскольку порядок операций делает возможным только одно толкование для каждого "−". Однако это может привести к путанице и затруднить понимание выражения, когда символы операторов появляются рядом друг с другом. Решением может быть заключение в скобки унарного "−" вместе с его операндом.
Например, выражение 7 + −5 может быть понятнее, если записать его как 7 + (−5) (хотя формально они означают одно и то же). Выражение вычитания 7 – 5 — это другое выражение, которое не представляет те же операции, но вычисляет тот же результат.
Иногда в начальных школах перед числом может стоять верхний индекс со знаком минус или плюс, чтобы явно различать отрицательные и положительные числа, как в [23].
Сложение двух отрицательных чисел очень похоже на сложение двух положительных чисел. Например,
Идея состоит в том, что два долга можно объединить в один долг большего размера.
При сложении смеси положительных и отрицательных чисел можно думать об отрицательных числах как о вычитаемых положительных величинах. Например:
В первом примере кредит 8 объединяется с долгом 3 , что дает общий кредит 5. Если отрицательное число имеет большую величину, то результат будет отрицательным:
Здесь кредит меньше долга, поэтому чистый результат — долг.
Как обсуждалось выше, вычитание двух неотрицательных чисел может дать отрицательный ответ:
В общем случае вычитание положительного числа дает тот же результат, что и прибавление отрицательного числа равной величины. Таким образом
и
С другой стороны, вычитание отрицательного числа дает тот же результат, что и сложение положительного числа равной величины. (Идея состоит в том, что потеря долга — это то же самое, что и получение кредита.) Таким образом
и
При умножении чисел величина произведения всегда равна произведению двух величин. Знак произведения определяется следующими правилами:
Таким образом
и
Причина первого примера проста: сложение трех −2 дает −6 :
Рассуждения во втором примере более сложные. Идея снова в том, что потеря долга — это то же самое, что получение кредита. В этом случае потеря двух долгов по три каждый — это то же самое, что получение кредита в шесть:
Соглашение о том, что произведение двух отрицательных чисел положительно, также необходимо для того, чтобы умножение подчинялось распределительному закону . В этом случае мы знаем, что
Поскольку 2 × (−3) = −6 , произведение (−2) × (−3) должно быть равно 6 .
Эти правила приводят к другому (эквивалентному) правилу — знак любого произведения a × b зависит от знака a следующим образом:
Обоснование того, почему произведение двух отрицательных чисел является положительным числом, можно найти в анализе комплексных чисел .
Правила знаков для деления такие же, как и для умножения. Например,
и
Если делимое и делитель имеют одинаковые знаки, результат положительный, если знаки разные, результат отрицательный.
Отрицательная версия положительного числа называется его отрицанием . Например, −3 является отрицанием положительного числа 3. Сумма числа и его отрицания равна нулю:
То есть отрицание положительного числа является аддитивным обратным числом.
Используя алгебру , мы можем записать этот принцип в виде алгебраического тождества :
Это тождество справедливо для любого положительного числа x . Его можно сделать справедливым для всех действительных чисел, расширив определение отрицания, включив в него ноль и отрицательные числа. А именно:
Например, отрицание −3 равно +3 . В общем случае,
Абсолютное значение числа — это неотрицательное число с той же величиной. Например, абсолютное значение −3 и абсолютное значение 3 оба равны 3 , а абсолютное значение 0 равно 0 .
Аналогично рациональным числам , мы можем расширить натуральные числа N до целых чисел Z , определив целые числа как упорядоченную пару натуральных чисел ( a , b ). Мы можем расширить сложение и умножение до этих пар с помощью следующих правил:
Определим отношение эквивалентности ~ для этих пар по следующему правилу:
Это отношение эквивалентности совместимо с определенными выше сложением и умножением, и мы можем определить Z как фактор-множество N ²/~, т.е. мы идентифицируем две пары ( a , b ) и ( c , d ), если они эквивалентны в указанном выше смысле. Обратите внимание, что Z , снабженное этими операциями сложения и умножения, является кольцом и фактически является прототипическим примером кольца.
Мы также можем определить общий порядок на Z, записав
Это приведет к аддитивному нулю вида ( a , a ), аддитивному обратному элементу ( a , b ) вида ( b , a ), мультипликативной единице вида ( a + 1, a ) и определению вычитания
Эта конструкция является частным случаем конструкции Гротендика .
Аддитивная обратная величина числа уникальна, как показывает следующее доказательство. Как упоминалось выше, аддитивная обратная величина числа определяется как значение, которое при добавлении к числу дает ноль.
Пусть x — число, а y — его аддитивное обратное число. Предположим, что y′ — это еще одно аддитивное обратное число x . По определению,
Итак, x + y′ = x + y . Используя закон сокращения для сложения, видно, что y′ = y . Таким образом, y равен любому другому аддитивному обратному x . То есть, y является единственным аддитивным обратным x .
Долгое время понимание отрицательных чисел задерживалось из-за невозможности иметь отрицательное числовое значение физического объекта, например «минус три яблока», а отрицательные решения задач считались «ложными».
В эллинистическом Египте греческий математик Диофант в 3 веке нашей эры сослался на уравнение, которое было эквивалентно (имеющему отрицательное решение) в Арифметике , заявив, что уравнение было абсурдным. [24] По этой причине греческие геометры могли геометрически решить все формы квадратного уравнения, которые дают положительные корни; в то время как они не могли принимать во внимание другие. [25]
Отрицательные числа впервые в истории появляются в « Девяти главах о математическом искусстве» (九章算術, Jiǔ zhāng suàn-shù ), которые в своей нынешней форме датируются периодом Хань , но вполне могут содержать гораздо более старый материал. [3] Математик Лю Хуэй (ок. 3 в.) установил правила сложения и вычитания отрицательных чисел. Историк Жан-Клод Марцлофф предположил, что важность двойственности в китайской натурфилософии облегчила китайцам принятие идеи отрицательных чисел. [4] Китайцы могли решать одновременные уравнения с участием отрицательных чисел. « Девять глав» использовали красные счетные палочки для обозначения положительных коэффициентов и черные палочки для отрицательных. [4] [26] Эта система является полной противоположностью современной печати положительных и отрицательных чисел в области банковского дела, бухгалтерского учета и торговли, где красные числа обозначают отрицательные значения, а черные числа — положительные значения. Лю Хуэй пишет:
Теперь есть два противоположных вида счетных стержней для прибылей и убытков, назовем их положительными и отрицательными. Красные счетные стержни — положительные, черные счетные стержни — отрицательные. [4]
Древний индийский манускрипт Бахшали производил вычисления с отрицательными числами, используя «+» в качестве отрицательного знака. [27] Дата рукописи неизвестна. Л. В. Гурджар датирует ее не позднее 4-го века, [28] Хёрнле датирует ее между третьим и четвертым веками, Айянгар и Пингри датируют ее 8-м или 9-м веками, [29] а Джордж Гевергезе Джозеф датирует ее около 400 года н.э. и не позднее начала 7-го века, [30]
В 7 веке нашей эры отрицательные числа использовались в Индии для представления долгов. Индийский математик Брахмагупта в своей работе «Брахма-Спхута-Сиддханта» (написанной около 630 года нашей эры) обсуждал использование отрицательных чисел для получения общей квадратичной формулы, похожей на ту, что используется сегодня. [24]
В IX веке исламские математики были знакомы с отрицательными числами из трудов индийских математиков, но признание и использование отрицательных чисел в этот период оставалось робким. [5] Аль-Хорезми в своем труде «Аль-джабр валь-мукабала» (от которого произошло слово «алгебра») не использовал отрицательные числа или отрицательные коэффициенты. [5] Но через пятьдесят лет Абу Камиль проиллюстрировал правила знаков для расширения умножения , [31] а аль-Караджи написал в своем «Аль-Фахри» , что «отрицательные величины должны считаться членами». [5] В X веке Абу аль-Вафа аль-Бузджани рассматривал долги как отрицательные числа в «Книге о том, что необходимо из науки арифметики для писцов и бизнесменов» . [31]
К XII веку последователи аль-Караджи сформулировали общие правила знаков и использовали их для решения задач деления многочленов . [5] Как пишет аль-Самав'аль :
произведение отрицательного числа — al-nāqiṣ (убыток) — на положительное число — al-zāʾid (прибыль) — отрицательно, а на отрицательное число — положительно. Если мы вычитаем отрицательное число из большего отрицательного числа, остаток — их отрицательная разность. Разность остается положительной, если мы вычитаем отрицательное число из меньшего отрицательного числа. Если мы вычитаем отрицательное число из положительного числа, остаток — их положительная сумма. Если мы вычитаем положительное число из пустой степени ( martaba khāliyya ), остаток будет тем же отрицательным, а если мы вычитаем отрицательное число из пустой степени, остаток — тем же положительным числом. [5]
В XII веке в Индии Бхаскара II дал отрицательные корни для квадратных уравнений, но отверг их, поскольку они были неуместны в контексте задачи. Он заявил, что отрицательное значение «в этом случае не следует принимать, поскольку оно неадекватно; люди не одобряют отрицательные корни».
Фибоначчи допускал отрицательные решения в финансовых проблемах, где они могли быть интерпретированы как дебеты (глава 13 Liber Abaci , 1202), а позднее — как убытки (во Flos , 1225).
В XV веке француз Николя Шюке использовал отрицательные числа в качестве показателей степени [32], но называл их «абсурдными числами». [33]
Михаэль Штифель рассматривал отрицательные числа в своей работе «Arithmetica Integra» (1544 г.) , где он также называл их numeri absurdi (абсурдными числами).
В 1545 году Джероламо Кардано в своем труде Ars Magna дал первую в Европе удовлетворительную трактовку отрицательных чисел. [24] Он не допускал отрицательных чисел при рассмотрении кубических уравнений , поэтому ему приходилось рассматривать, например, отдельно от (с в обоих случаях). В целом, Кардано был вынужден изучить тринадцать типов кубических уравнений, в каждом из которых все отрицательные члены были перемещены на другую сторону знака =, чтобы сделать их положительными. (Кардано также имел дело с комплексными числами , но, по понятным причинам, любил их еще меньше.)
Лю ясно говорит об этом; в том месте, где Девять глав дают подробное и полезное «Правило знака»
Марка Макколла впоследствии опустилась с третьего на последнее место Премьер-лиги с −22 очками
Но на третьей минуте компенсированного времени нападающий реализовал передачу Люка Мерфи с восьми ярдов, заработав третью подряд победу в Лиге 1 для команды Хилла, которая начала кампанию с −12 очками после перехода под внешнее управление в мае.
time: Термин, используемый для описания разницы во времени между двумя разными кругами или двумя разными автомобилями. Например, обычно существует отрицательная дельта между лучшим временем круга на тренировке и лучшим временем круга в квалификации, поскольку он использует низкий уровень топлива и новые шины.
Ветровая помощь обычно выражается в метрах в секунду, как положительных, так и отрицательных. Положительное значение означает, что ветер помогает бегунам, а отрицательное значение означает, что бегунам пришлось работать против ветра. Так, например, ветры со скоростью −2,2 м/с и +1,9 м/с являются законными, в то время как ветер со скоростью +2,1 м/с является слишком большой помощью и считается незаконным. Также часто используются термины "попутный ветер" и "встречный ветер". Попутный ветер толкает бегунов вперед (+), а встречный ветер толкает бегунов назад (−)