文系歓迎!ホリホリの楽しい数学講座 -3ページ目

文系歓迎!ホリホリの楽しい数学講座

基本的には中学~大学レベルの数学をなるべく分かりやすく解説していきます!


皆さんは数字の種類を何種類言えることができますか?


例えば整数だとか自然数だとか小数といった感じです




さらにそれらはグループごとに分類することができるのです


例えば自然数は整数のグループに含まれます


今回はまずよく数学で扱われる数字の種類を簡単に説明してから本題に入りたいと思います



(1)自然数 : 1、2,3、4、・・・ のように0に1を加えていって得られる数(一般に0は含まないが集合論などでは含む場合もある)

(2)整数 : 自然数と0から1を引いていったときに得られる数の総称

(3)有理数 : 分数の形で表すことができる数

(4)無理数 : 円周率や根号(ルート)などのような小数点以下が無秩序に永遠に続くような分数では表せない数

(5)実数 : (1)~(4)の全ての数を総称したもの



これらの数は一般の方にもよく知られている数です


図にするとこのような関係になっています

数字の種類



しかしこの他にも数の種類が存在します


(5)の「実数」という漢字に少し着目してみてください


実はこれ「実在する数」という意味なんです


つまり実数と並列の関係で「実在しない数」があるということです





その「実在しない数」とは・・・・・


「二乗してマイナス(負の数)になる数」です


(-1)^2=+1 という事実はこの前の記事で証明しました


しかし、昔の数学者(ジェロラモ・カルダーノ)は二乗して負の数になる数も考えることができるとして生み出されました


それが「虚数」と呼ばれる数です


英語では「imaginary number」つまり「想像上の数字」と言われています


この虚数、実際にどのように書かれるかというと英語の頭文字をとって「」で表されます


つまり ^2=-1 というわけです


そんな奇妙なものを定義する意味がどこにあるのかと思うかもしれませんが、実はこれ結構私たちの生活に役に立っています


もともと数なんてものは自然数さえあれば必要最低限の暮らしはできます


しかし人を数えるときには役に立たない分数も物を分配するときには役立ち、重量を記述するには役立たない負の数も借金の額を表すにはもってこいです


それと同様に虚数も様々な場面で応用され使われているのです


それをここで具体的にお話するとあまりにも難しい話になってしまうので割愛しますが、分野的には信号処理、電磁気学、地図学などで利用されています




では最後にこれらをふまえて先程の(1)~(5)に加えて新たに2つ言葉を解説します


(6)虚数 : 二乗すると0を超えない実数になるもの

(7)複素数 : 実数と虚数を合わせたこの世の全ての数の総称



よってこれらを図に表すと次のようになります

数字の種類

これが数の種類の全てです


これ以上拡張することはありません


複素数の世界は奥が深いのでまたいつかお話したいと思います



では!




※(1)~(7)の解説はなるべく分かりやすい表現にするために本来の定義より多少ずれたものがあります


※今回の記事は分かりづらい表現が多いかもしれませんが広い心で読んでくださると嬉しいです



今日は少しレベルを上げて極限と呼ばれる分野のお話をしましょう。


高校では数学Ⅲで習うことが多く、特に文系の方々はなかなかふれてこなかった世界かと思います。



極限の世界とは簡単に言えば、ものすごく大きい数字またはものすごく小さい数字を扱うようなイメージです



その代表格は∞(無限大)です




ここで1つ注意をしておきますが∞というのは数ではありません


あくまでも数学上の概念のようなものであると認識してください





では早速2つ問題を解いてみましょう



(1)1÷n=A のnを無限大に近づけていくとAはどんな値に近づいていくか?


(2)n^2÷n=A のnを無限大に近づけていくとAはどんな値に近づいていくか?

※n^2とはnの2乗のことです




(1)に関しては理系の方でなくとも勘がいい方はお分かりになると思います


答えは0です


実際にnに数字を入れて考えてみましょう






1÷1=1

1÷10=0.1

1÷100=0.01

1÷1000=0.001

1÷10000=0.0001
     ・
     ・
     ・
   1÷∞=0






というような感じになります


しかしここで違和感を覚えた方がいるんではないでしょうか




本当に1÷∞=0としていいのかという疑問を持つ方がいると思います





分母にあたる部分には確実に数字があります


ということはどんなに大きな数字を入れたとしても確かにどんどん値は小さくなりますが、Aがピッタリ0になるという状況にはなりえません


しかし、先程注意したように無限大というのはあくまでも概念です


数ではありません


つまり1÷∞のような式があったとき、この式が言いたいことは結局答えは限りなくどんな値に近づくのですかということなのです


ですから概念的に捉えてそれは0ですとキッパリ言うことができるのです








では次に(2)に移りましょう


これは大体意見が2つに分かれやすい問題です



1つは左辺の分母・分子それぞれを無限にするので ∞÷∞=1=Aと答える人

2つ目は左辺のnを約分してしまい式をn=Aにしてからnに∞を入れてA=∞と答える人です




結論から言ってしまえば後者が正解です


なぜか?


実は考え方的には(1)のように考えても間違いではありません


ただし分母と分子が同じものであれば必ず1になるという先入観が1つ目が正しいと思ってしまった方のミスです


くどいようですが∞は数ではありません


つまり∞の中にも大小が存在するのです


n^2のnに∞を入れたときは∞^2となり、ただの∞とは訳がちがうのです


もちろん ∞^2=∞ です


ただ、明らかに∞^2=∞の∞はただのnに∞を入れたときの∞よりも大きいことが理解できると思います


よって(2)の答えは∞とするのが正解です







最後にもうひとつだけ注意をしておきます


∞÷∞=∞ という式は成り立ちません


今回はたまたまそうなっただけです


∞÷∞ は不定形と呼ばれこの情報だけでは答えは出せません


先程言ったように∞の中にも大小があります


∞÷∞ の答えとしては以下の3パターンが考えられます




(1)分子の∞>分母の∞の場合、∞÷∞=∞


(2)分子の∞=分母の∞の場合、∞÷∞=1


(3)分子の∞<分母の∞の場合、∞÷∞=0






という3パターンです








今日はこのへんにしておきましょう


では!

先程の記事の答えの前に3つの問題に答えてみてください



(1)0÷3=?


(2)3÷0=?


(3)0÷0=?






おそらくこれら3つの問題を街角調査なんかで一般の人に解いてもらうと半分以上の人は3つとも答えは0と言うでしょう



しかし、それはとんでもない間違いです



順番に見ていきましょう




まずは(1)から


(1)の答えは0で正解です


適当な文章に直せば「0個のお菓子を3人で分けたら1人あたり何個もらえますか」とできるので当然答えは0で良いのです




では(2)はどうでしょうか


同様に文章にして考えたいと思います


文章を作ってみると「3個のお菓子を0人で分けると1人あたり何個もらえますか」という極めて奇妙な文章になってしまいます


つまり割り算における「割る数」が0になってしまうと問題として成り立たなくなるのです
※「割る数」とはA÷B=CにおけるBにあたる数である




この事実をより数学的に見ていきましょう


例えば6÷2=3という式を考えたとき2×3=6という式が成り立つのは小学生でも知っています


つまりA÷B=Cという式は例外なくB×C=Aを満たすはずなのです


(1)の問題では0÷3=0という式でしたから確かに3×0=0という風にできます


しかし(2)では3÷0=?という式だったので0×?=3を満たすような?を考えなければなりません


ここまでくれば?にはいかなる数字も入らないことが理解できると思います




さて最後に(3)です


全く同様にやってみましょう


元の式が0÷0=?でしたから式変形は0×?=0とできます


もうお分かりですね


そう、この場合は(2)とは逆にいかなる数字を入れても成り立ってしまいます


つまり答えは何でも良いわけです





(2)のような場合を数学用語では解不能(解が求められない)と言い、(3)は解不定(答えが定まらない)と言います


ただし、代数学の世界ではそもそも「割る数としての0」は定義しないのが普通です


ですから基本的に数学では数を0で割ってはいけないのです









さて、ようやく話を本題に戻して前回の記事の証明に関してですが、ここまでお話してきてほとんど答えを言ったようなものですね


そうこの証明の☆マークをつけた行です



 A=B

 A×B=B×B               ←両辺にBを掛ける

 A×B-A×A=B×B-A×A     ←両辺からA×Aを引く
 
 (B-A)×A=(B-A)×(B+A)   ←因数分解

☆A=B+A                  ←両辺を(B-A)で割る

 A=A+A                  ←A=Bより

 A=2A

 1=2                    ←両辺Aで割る




最初にA=Bと定義していますから(B-A)とは0のことです


つまり☆の行で両辺を0で割ってしまうという操作をしてしまったための結果ということになります





お分かり頂けたでしょうか?


ちなみに「1=2」と検索をかけると http://ansaikuropedia.org/wiki/1=2 こんなものが出てきます


暇なときにでも読んでみてください


もちろんこのサイトに書いてあることは全部ウソの証明ですが、バカバカしいものから一見本当に見えてしまうものもあるので暇つぶしにはピッタリです





というわけで今日は以上です


最後まで読んで頂きありがとうございました!