复数,通往真理的最短路径

实数是一维的数,而复数是二维的数
在实数域中,连接两个真理的最短的路径是通过复数域
----雅克·阿达马

现代数学家对复数的看法如斯,无限拔高了复数的地位,这样说有道理吗?

1 对于复数的普通认知

我想,对于复数,或许大家一般会有以下的认知吧。

1.1 应付考试

高中的时候,会粗略地学习下复数,首先定义:

然后形如:

这样的数就是复数。有了复数之后,开方运算就不再局限于大于0的数了,这样高中必考的一元二次方程:

就总是有解了:

书上还会给出一些复数的运算法则,这样高考命题组就可以出题了。最后留给同学们的印象,似乎复数就是一个类似于太阳能电筒(不带蓄电池)一样,属于智力过剩的产物,是数学家的玩具。

1.2 数系完善

增加负数,可以使得减法任意进行。而有了之后,开根号运算就可以随意了,比如:

对数运算也可以操作负数了,比如(下面用到欧拉公式,可以参考这里):

这样,基本上就只有:

  • 除以

这两个运算没有办法执行了。不过大家思考过没有,完善数系真的那么重要呢?如果非常重要的话,为什么不能发明一个数系能够使得“除以”可以进行下去?

你别说,史上有非常多的数学家想去发明能够兼容“除以”的数系,可惜都失败了,因为没有办法自洽。比如说,某个数系兼容“除以”,那么很容易得到荒谬的结论:

你说这种扩展数系的方法不对,换种别的扩展方式或许就能自洽。但是数学家试过各种扩展方式,都没有办法自洽。

深想一步,尝试了无数种方法都没有发明出兼容“除以”的数系,是否意味着不存在这样的数系。就好比,尝试了无数种永动机,下面是其中之一: