Ноль в степени нуля
Ноль в нулевой степени , обозначается 0 0 , — это математическое выражение , которое либо определено как 1, либо оставлено неопределенным , в зависимости от контекста. В алгебре и комбинаторике обычно определяют 0 0 = 1 . В математическом анализе выражение иногда остается неопределенным. Языки программирования и программное обеспечение также имеют разные способы обработки этого выражения.
Дискретные показатели [ править ]
Многие широко используемые формулы, включающие показатели степени натуральных чисел, требуют 0 0 определить как 1 . Например, следующие три интерпретации b 0 имеют такой же смысл для b = 0, как и для натуральных чисел b :
- Толкование б 0 поскольку пустой продукт присваивает ему значение 1 .
- интерпретация Комбинаторная b 0 — количество 0-кортежей элементов из набора b -элементов; существует ровно один 0-кортеж.
- Теоретико -множественная интерпретация b 0 – количество функций из пустого множества в набор b -элементов; существует ровно одна такая функция, а именно пустая функция . [1]
Все три из них специализируются на том, чтобы дать 0 0 = 1 .
и ряды степенные Полиномы
При оценке полиномов удобно определить 0 0 как 1 . (Вещественный) многочлен — это выражение вида a 0 x 0 + ⋅⋅⋅ + а н х н , где x – неопределенное число, а коэффициенты a i – действительные числа . Полиномы складываются почленно и умножаются с применением закона распределения и обычных правил для показателей. С помощью этих операций многочлены образуют кольцо R [ x ] . Мультипликативным тождеством R x [ ] x многочлен является 0 ; то есть х 0 раз любой многочлен p ( x ) равен просто p ( x ) . [2] Кроме того, полиномы можно оценить, присвоив x вещественное число. Точнее, для любого данного действительного числа r существует единственный гомоморфизм R -алгебры с единицей ev r : R [ x ] → R такой, что ev r ( x ) = r . Поскольку ev r унитарен, ev r ( x 0 ) = 1 . То есть, р 0 = 1 для каждого действительного числа r , включая 0. Тот же аргумент применим и при замене R любым кольцом . [3]
Определение 0 0 = 1 необходимо для многих полиномиальных тождеств. Например, биномиальная теорема справедливо для x = 0, только если 0 0 = 1 . [4]
Аналогично, кольца степенных рядов требуют x 0 быть определен как 1 для всех специализаций x . Например, такие тождества, как и справедливо для x = 0, только если 0 0 = 1 . [5]
Чтобы многочлен x 0 чтобы определить непрерывную функцию R → R , необходимо определить 0 0 = 1 .
В исчислении степени правило справедливо для n = 1 при x = 0, только если 0 0 = 1 .
Непрерывные показатели [ править ]

Пределы, включающие алгебраические операции, часто можно оценить, заменив подвыражения их пределами; если результирующее выражение не определяет исходный предел, выражение известно как неопределенная форма . [6] Выражение 0 0 является неопределенной формой: для данных вещественных функций f ( t ) и g ( t ) приближающихся к 0 (поскольку t приближается к действительному числу или ±∞ ) с f ( t ) > 0 , предел f ( t ) г ( т ) может быть любым неотрицательным действительным числом или +∞ или может расходиться , в зависимости от f и g . Например, каждый предел ниже включает функцию f ( t ) г ( т ) с f ( т ), г ( т ) → 0 при т → 0 + ( односторонний предел ), но их значения различны:
Таким образом, функция двух переменных x и , хотя и непрерывна на множестве {( x , y ) : x > 0} , не может быть расширена до непрерывной функции на множестве {( x , y ) : x > 0} ∪ {(0, 0)} , как бы ни решает определить 0 0 . [7]
С другой стороны, если f и g — аналитические функции в открытой окрестности числа c , то f ( t ) г ( т ) → 1, когда t приближается к c с любой стороны, на которой f положительно. [8] Этот и более общие результаты можно получить, изучая предельное поведение функции . [9] [10]
Комплексные показатели [ править ]
В комплексной области функция z В может быть определен для ненулевого z, ветвь log z выбрав и определив z В как и в журнале z . Это не определяет 0 В поскольку не существует ветви log z, определенной в точке z = 0 , не говоря уже о окрестности 0 . [11] [12] [13]
История [ править ]
Как значение [ править ]
В 1752 году Эйлер во «Введении к анализу бесконечно малых» написал , что 0 = 1 [14] и прямо упомянул, что 0 0 = 1 . [15] Аннотация, приписываемая [16] Маскерони . в издании 1787 года книги Эйлера Institutiones Calculus Differentialis [17] предложил «обоснование» а также еще одно, более сложное оправдание. В 1830-е годы Либри [18] [16] опубликовал еще несколько аргументов, пытаясь обосновать это утверждение 0 0 = 1 , хотя это было далеко не убедительно даже по стандартам строгости того времени. [19]
В качестве ограничительной формы [ править ]
Эйлер, при установке 0 0 = 1 , отметил, что, следовательно, значения функции 0 х сделайте «огромный скачок» от ∞ для x < 0 до 1 при x = 0 и до 0 для x > 0 . [14] В 1814 году Пфафф использовал аргумент теоремы о сжатии, чтобы доказать, что x х → 1 при x → 0 + . [8]
С другой стороны, в 1821 г. Коши [20] объяснил, почему предел x и Поскольку положительные числа x и y приближаются к 0, будучи ограничены некоторым фиксированным соотношением, можно заставить принимать любое значение от 0 до ∞, выбрав соответствующее отношение. Он пришел к выводу, что предел полной двух переменных функции x и без указанного ограничения является «неопределенным». С этим обоснованием он перечислил 0 0 наряду с такими выражениями, как 0/0 в . таблице неопределенных форм
Очевидно, не зная о работе Коши, Мёбиус [8] в 1834 году, основываясь на аргументе Пфаффа, ошибочно утверждал, что f ( x ) г ( х ) → 1 всякий раз, когда f ( x ), g ( x ) → 0 , когда x приближается к числу c (предположительно, f считается положительным вдали от c ). Мёбиус свелся к случаю c = 0 , но затем допустил ошибку, предположив, что каждое из f и g можно выразить в виде Px н для некоторой непрерывной функции P, не обращающейся в нуль в точке 0 , и некоторого неотрицательного целого числа n , что верно для аналитических функций, но не в общем случае. Анонимный комментатор указал на неоправданность шага; [21] затем другой комментатор, подписавшийся просто как «С», привел явные контрпримеры ( например, −1/ х ) х → и −1 и ( е −1/ х ) 22x → и −2 при х → 0 + и выразил ситуацию, написав, что « 0 0 может иметь много разных значений». [21]
Текущая ситуация [ править ]
- Некоторые авторы определяют 0 0 как 1, потому что это упрощает многие утверждения теорем. По словам Бенсона (1999), «выбор, определять ли 0 0 основано на удобстве, а не на правильности. Если мы воздержимся от определения 0 0 , то некоторые утверждения становятся излишне неуклюжими. ... Консенсус состоит в том, чтобы использовать определение 0 0 = 1 , хотя есть учебники, которые воздерживаются от определения 0 0 ." [22] Кнут (1992) более решительно утверждает, что 0 0 " должно быть 1 "; он проводит различие между значением 0 0 , который должен равняться 1 , и предельной форме 0 0 (аббревиатура предела f ( t ) г ( т ) где f ( t ), g ( t ) → 0 ), что является неопределенной формой: «И Коши, и Либри были правы, но Либри и его защитники не поняли, почему истина была на их стороне». [19]
- Другие авторы оставляют 0 0 не определено, потому что 0 0 является неопределенной формой: f ( t ), g ( t ) → 0 не влечет за собой f ( t ) г ( т ) → 1 . [23] [24]
Кажется, нет авторов, присваивающих 0 0 определенное значение, отличное от 1. [22]
Лечение на компьютерах [ править ]
Стандарт IEEE с плавающей запятой [ править ]
Стандарт IEEE 754-2008 с плавающей запятой используется при разработке большинства библиотек с плавающей запятой. Он рекомендует ряд операций для вычисления мощности: [25]
pown
(экспонента которого является целым числом) обрабатывает 0 0 как 1 ; см. § Дискретные показатели .pow
(чье намерение состоит в том, чтобы вернуть результат, отличный от NaN , когда показатель степени является целым числом, напримерpown
) угощает 0 0 как 1 .powr
угощения 0 0 как NaN (не число) из-за неопределенной формы; см. § Непрерывные показатели .
The pow
вариант вдохновлен pow
функция от C99 , в основном для совместимости. [26] Это полезно в основном для языков с одной степенной функцией. pown
и powr
варианты были введены из-за противоречивого использования степенных функций и разных точек зрения (как указано выше). [27]
Языки программирования [ править ]
Стандарты C и C++ не указывают результат 0. 0 (может возникнуть ошибка домена). Но для C, начиная с C99 , если нормативное поддерживается приложение F, результат для реальных типов с плавающей запятой должен быть равен 1, поскольку существуют важные приложения, для которых это значение более полезно, чем NaN. [28] (например, с дискретными показателями ); результат по сложным типам не указывается, даже если поддерживается информативное приложение G. Стандарт Java , [29] метод .NET Framework System.Math.Pow
, [30] Джулия и Питон [31] [32] также лечить 0 0 как 1 . Некоторые языки документируют, что их операция возведения в степень соответствует pow
функция из математической библиотеки C ; относится к Lua это ^
оператор [33] и Perl **
оператор [34] (где явно указано, что результат 0**0
зависит от платформы).
и научное Математическое обеспечение программное
Р , [35] МудрецМатематика , [36] и ПАРИ/ГП [37] оценить х 0 до 1 . Математика [38] упрощает х 0 до 1, не наложено никаких ограничений даже если на x ; однако, если 0 0 вводится напрямую, это рассматривается как ошибка или неопределенность. Математика [38] и ПАРИ/ГП [37] [39] далее различайте целые значения и значения с плавающей запятой: если показатель степени является нулем целочисленного типа, они возвращают 1 типа основания; возведение в степень с показателем степени с плавающей запятой, равным нулю, рассматривается как неопределенное, неопределенное или ошибочное.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Бурбаки, Николя (2004). «III.§3.5». Элементы математики, Теория множеств . Спрингер-Верлаг .
- ^ Бурбаки, Николя (1970). «§III.2 № 9». Алгебра . Спрингер .
Единственный моном степени 0 является единичным элементом A [( X i ) i ∈ I ] ; его часто отождествляют с единичным элементом 1 из A
- ^ Бурбаки, Николя (1970). «§IV.1 № 3». Алгебра . Спрингер .
- ^ Грэм, Рональд ; Кнут, Дональд ; Паташник, Орен (5 января 1989 г.). «Биномиальные коэффициенты». Конкретная математика (1-е изд.). Аддисон-Уэсли Лонгман Паблишинг Ко. с. 162. ИСБН 0-201-14236-8 .
В некоторых учебниках оставляют количество 0. 0 не определено, поскольку функции x 0 и 0 х имеют разные предельные значения при уменьшении x до 0. Но это ошибка. Мы должны определить x 0 = 1 для всех x , если биномиальная теорема должна быть справедливой, когда x = 0 , y = 0 и/или x = - y . Биномиальная теорема слишком важна, чтобы ее можно было произвольно ограничивать! Напротив, функция 0 х совершенно неважно.
- ^ Вон, Герберт Э. (1970). «Выражение 0 0 «. Учитель математики . 63 : 111–112.
- ^ Малик, Южная Каролина; Арора, Савита (1992). Математический анализ . Нью-Йорк, США: Уайли. п. 223. ИСБН 978-81-224-0323-7 .
В общем случае предел φ ( x )/ ψ ( x ) , когда x = a, в случае существования пределов обеих функций, равен пределу числителя, разделенного на знаменатель. Но что происходит, когда оба предела равны нулю? Тогда деление ( 0/0 ) становится бессмысленным. Подобный случай известен как неопределенная форма. Другими такими формами являются ∞/∞ , 0 × ∞ , ∞ − ∞ , 0 0 , 1 ∞ и ∞ 0 .
- ^ Пейдж, LJ (март 1954 г.). «Заметка о неопределенных формах». Американский математический ежемесячник . 61 (3): 189–190. дои : 10.2307/2307224 . JSTOR 2307224 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Мёбиус, А. Ф. (1834 г.). «Доказательство уравнения 0 0 = 1 , nach JF Pfaff" [Доказательство уравнения 0 0 = 1 по Дж. Ф. Пфаффу]. Журнал чистой и прикладной математики (на немецком языке). 1834 (12): 134–136. дои : 10.1515/crll.1834.12.134 . S2CID 199547186 .
- ^ Бэксли, Джон В.; Хаяши, Элмер К. (июнь 1978 г.). «Неопределенные формы экспоненциального типа» . Американский математический ежемесячник . 85 (6): 484–486. дои : 10.2307/2320074 . JSTOR 2320074 . Проверено 23 ноября 2021 г.
- ^ Сяо, Джинсен; Хэ, Цзяньсюнь (декабрь 2017 г.). «О неопределенных формах экспоненциального типа» . Журнал «Математика» . 90 (5): 371–374. дои : 10.4169/math.mag.90.5.371 . JSTOR 10.4169/math.mag.90.5.371 . S2CID 125602000 . Проверено 23 ноября 2021 г.
- ^ Кэрриер, Джордж Ф.; Крук, Макс; Пирсон, Карл Э. (2005). Функции комплексной переменной: теория и методика . п. 15. ISBN 0-89871-595-4 .
Поскольку log(0) не существует, 0 С является неопределенным. Для Re( z ) > 0 мы определяем его произвольно как 0 .
- ^ Гонсалес, Марио (1991). Классический комплексный анализ . Чепмен и Холл . п. 56. ИСБН 0-8247-8415-4 .
Для z = 0 , w ≠ 0 определим 0 В = 0 , а 0 0 не определяется.
- ^ Мейерсон, Марк Д. (июнь 1996 г.). " Х х Шпиндель». Журнал Mathematics . Том 69, № 3. С. 198–206. doi : 10.1080/0025570X.1996.11996428 .
... Начнем с x = 0. Здесь x х является неопределенным.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Эйлер, Леонард (1988). «Глава 6, §97». Введение в анализ бесконечного, Книга 1 . Перевод Блэнтона, Дж. Д. Спрингера. п. 75. ИСБН 978-0-387-96824-7 .
- ^ Эйлер, Леонард (1988). «Глава 6, §99». Введение в анализ бесконечного, Книга 1 . Перевод Блэнтона, Дж. Д. Спрингера. п. 76. ИСБН 978-0-387-96824-7 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Либри, Гийом (1833). «Mémoire sur les fonctions прекращается» . Журнал чистой и прикладной математики (на французском языке). 1833 (10): 303–316. дои : 10.1515/crll.1833.10.303 . S2CID 121610886 .
- ^ Эйлер, Леонард (1787). Институты дифференциального исчисления, Vol. 2 . Тичини ISBN 978-0-387-96824-7 .
- ^ Либри, Гийом (1830). «Примечание по значениям функции 0 0 х ". Журнал чистой и прикладной математики (на французском языке). 1830 (6): 67–72. doi : 10.1515/crll.1830.6.67 . S2CID 121706970 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Кнут, Дональд Э. (1992). «Два примечания к обозначениям». Американский математический ежемесячник . 99 (5): 403–422. arXiv : математика/9205211 . Бибкод : 1992math......5211K . дои : 10.1080/00029890.1992.11995869 .
- ^ Коши, Огюстен-Луи (1821), Курс анализа Королевской политехнической школы , Полное собрание сочинений: 2 (на французском языке), том. 3, с. 65–69
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Аноним (1834 г.). «Замечания к статье «Доказательство уравнения 0» 0 = 1 , nach JF Pfaff" " [Замечания к сочинению "Доказательство уравнения 0 0 = 1 , по данным Дж. Ф. Пфаффа». Журнал чистой и прикладной математики (на немецком языке). 1834 (12): 292–294. doi : 10.1515/crll.1834.12.292 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Бенсон, Дональд К. (1999). Написано в Нью-Йорке, США. Момент доказательства: математические прозрения . Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета . п. 29. ISBN 978-0-19-511721-9 .
- ^ Эдвардс; Пенни (1994). Исчисление (4-е изд.). Прентис-Холл . п. 466.
- ^ Киди; Биттингер; Смит (1982). Алгебра Два . Аддисон-Уэсли . п. 32.
- ^ Мюллер, Жан-Мишель; Бризебар, Николя; де Динешен, Флоран; Жаннерод, Клод-Пьер; Лефевр, Винсент; Мелькионд, Гийом; Револь, Натали ; Стеле, Дэмиен; Торрес, Серж (2010). Справочник по арифметике с плавающей запятой (1-е изд.). Биркхаузер . п. 216. дои : 10.1007/978-0-8176-4705-6 . ISBN 978-0-8176-4704-9 . LCCN 2009939668 . S2CID 5693480 . ISBN 978-0-8176-4705-6 (онлайн), ISBN 0-8176-4704-X (печать)
- ^ «Более трансцендентальные вопросы» . grouper.ieee.org . Архивировано из оригинала 14 ноября 2017 г. Проверено 27 мая 2019 г. (Примечание. Начало обсуждения функций мощности для пересмотра стандарта IEEE 754, май 2007 г.)
- ^ «Re: Расплывчатая спецификация» . grouper.ieee.org . Архивировано из оригинала 14 ноября 2017 г. Проверено 27 мая 2019 г. (Примечание. Предложение вариантов в обсуждении функций мощности для пересмотра стандарта IEEE 754, май 2007 г.)
- ^ Обоснование международного стандарта — Языки программирования — C (PDF) (Отчет). Версия 5.10. Апрель 2003. с. 182.
- ^ «Математика (Java Platform SE 8) pow» . Оракул.
- ^ «Метод Math.Pow библиотеки классов .NET Framework» . Майкрософт.
- ^ «Встроенные типы — документация Python 3.8.1» . Проверено 25 января 2020 г.
Python определяет мощность (0, 0) и 0 ** 0 = 1 , как это принято в языках программирования.
- ^ «math — Математические функции — Документация Python 3.8.1» . Проверено 25 января 2020 г.
В исключительных случаях, насколько это возможно, следуйте приложению F стандарта C99. В частности, мощность(1.0, х) и pow(x, 0.0) всегда возвращает 1.0, даже если х — ноль или а НаН .
- ^ «Справочное руководство по Lua 5.3» . Проверено 27 мая 2019 г.
- ^ «perlop – Возведение в степень» . Проверено 27 мая 2019 г.
- ^ Основная команда R (11 июня 2023 г.). «R: Язык и среда для статистических вычислений - Справочный указатель» (PDF) . Версия 4.3.0. п. 25 . Проверено 22 ноября 2019 г.
1 ^ y
иy ^ 0
всегда 1. - ^ Команда разработчиков Sage (2020). «Справочное руководство Sage 9.2: Стандартные коммутативные кольца. Элементы кольца Z целых чисел» . Проверено 21 января 2021 г.
Для совместимости с Python и MPFR 0^0 определяется как 1 в Sage.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «pari.git/commitdiff – 10- x ^ t_FRAC: по возможности возвращайте точный результат; например, 4^(1/2) теперь равно 2» . Проверено 10 сентября 2018 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Документация по языку и системе Wolfram: Мощность» . Вольфрам . Проверено 2 августа 2018 г.
- ^ Группа ПАРИ (2018). «Руководство пользователя PARI/GP (версия 2.11.0)» (PDF) . стр. 10, 122 . Проверено 4 сентября 2018 г.
Существует также оператор возведения в степень ^, когда показатель степени имеет целочисленный тип; в противном случае она рассматривается как трансцендентная функция. ... Если показатель степени n является целым числом, то точные операции выполняются с использованием методов двоичного (сдвига влево) возведения в степень. ... Если показатель степени n не является целым числом, возведение в степень рассматривается как трансцендентная функция exp( n log x ) .
Внешние ссылки [ править ]
- Часто задаваемые вопросы по sci.math: Что такое 0 0 ?
- Что означает 0 0 (ноль в нулевой степени) равен? на AskAMathematician.com