2011年6月9日 星期四

指數問題一則

在香港高級程度會考的純粹數學科中,卷二的乙部第一題一般是曲線描繪(curve sketching)。要描繪其圖像的函數間中會牽涉「非整數次方」,例如 x3/4。當 x 是負數時,這會引起很多問題(但描繪曲線時我們確實需要考慮 x 是負數時的情況)。舉例說,(-8)2/6 等於多少?

同學:怎麼考評局這麼不小心啦, 是可以約簡成 的啊,所以 (-8)2/6 = (-8)1/3,即 -8 的立方根,也就是 -2 啦。

乙同學:(-8)2/6(-8)1/6 的 2 次方,可是 (-8)1/6 即 -8 開 6 次方,這是不可能的,因為任何實數的偶數次方都不可能是負數啊,所以它不是實數

同學:我不同意乙同學的看法。我看過數學資料庫手記的一篇文章,裡面提到處理實數的過程中是有可能離開實數世界的,所以沒有問題啦,(-8)1/6 應該等於 (大家不妨驗證一下, 的 6 次方的確等於 -8 啊),所以 (-8)2/6 應該等於 的 2 次方,也就是 -2 啦,這跟甲同學的答案不謀而合。

丁同學:我們不是學過 的嗎?因此 呢。

到底誰的演繹才正確?


首先,你可以說丁同學的說法是不穩妥的,因為他用到的那一條指數定律在 a>0 時才成立(數學書是這樣寫的)。

那麼乙同學的說法也同樣有問題了,他不是用到 amn = (am)n 這條指數定律嗎?這也需要 a>0 的啊(數學書也是這樣寫的)!

丙同學也用了 amn = (am)n 這條指數定律,而且對於 (-8)1/6 的值的「驗證」也是不穩妥的(例如,(-2)6 = 64,那我可以說 641/6 = -2 嗎?)。

甲同學呢?他說 (-8)1/3 即 -8 的立方根,「a1/n 即 a 的 n 次方根」這句說話究竟對 a<0 是否成立?這個有點複雜,因為這牽涉兩個定義,就是「a1/n」和「a 的 n 次方根」。這個姑且不談,(-8)2/6 一定要等於 (-8)1/3 的嗎?(如果 x=y,那麼 ax 一定要等於 ay 的嗎?我們知道,如果 f 是函數,那麼當 x=y 時,必定有 f(x)=f(y),可是 f(x) = ax 是函數嗎?對 a 的值有任何要求嗎?)

看到這裡,大家也許都感到天旋地轉了。我說了這麼多,究竟哪一個才是正確的答案?


我的結論很簡單:哪個是正確答案視乎你如何定義。而就我所知,最常見的定義方法是不對負數的非整數次方下定義,即 (-8)1/3 等都是「未下定義」(undefined)的(但這顯然跟公開試所採納的不同)。

如果你懂得複對數(complex logarithm)或類似課題的話,會較容易明白不同定義各自的「好與壞」,但對中學生來說,不對負數的非整數次方下定義,不是最自然和合理的選擇嗎?