การหารด้วยศูนย์

ในทางคณิตศาสตร์ การหารด้วยศูนย์ หมายถึงการหารที่มีตัวหารเท่ากับ 0 ซึ่งอาจสามารถเขียนอยู่ในรูปเศษส่วน ${\displaystyle \textstyle {\frac {a}{0}}}$ โดยที่ a เป็นตัวตั้ง ค่าของนิพจน์นี้จะมีความหมายหรือไม่ขึ้นอยู่กับบทตั้งทางคณิตศาสตร์ที่เป็นบริบท แต่โดยทั่วไปในเลขคณิตของจำนวนจริง นิพจน์ดังกล่าวไม่มีความหมาย

สำหรับการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ การหารด้วยศูนย์ในจำนวนเต็มอาจทำให้โปรแกรมเกิดข้อผิดพลาดจนหยุดทำงาน หรือในกรณีของจำนวนจุดลอยตัวอาจให้ผลลัพธ์เป็นค่าพิเศษที่เรียกว่าค่าไม่ใช่จำนวน (อังกฤษ: Not a Number) หรือ NaN

การแปลความหมายในเลขคณิตมูลฐาน

การหารในระดับพื้นฐานอธิบายได้ว่า เป็นการแบ่งเซตของวัตถุออกเป็นส่วน ๆ ที่เท่ากัน ตัวอย่างเช่น ถ้ามีแอปเปิล 10 ผล และต้องการแบ่งให้คน 5 คนเป็นจำนวนเท่ากัน ดังนั้นแต่ละคนจะได้รับแอปเปิล ${\displaystyle \textstyle {\frac {10}{5}}}$ = 2 ผล เป็นต้น

ใช้ปัญหาเดียวกันนี้อธิบายการหารด้วยศูนย์ คือถ้ามีแอปเปิล 10 ผล แล้วจะแบ่งให้คน คนละ 0 ผล แล้วหาว่าจะสามารถแบ่งให้ "คน" ได้ทั้งหมดกี่คน การคำนวณเพื่อหาค่า ${\displaystyle \textstyle {\frac {10}{0}}}$ จะกลับกลายเป็นไม่มีความหมาย เพราะตัวปัญหาเองก็ไม่มีความหมายเช่นกัน เพราะการแจกแอปเปิลให้ "คน" คนใด คนนั้นก็จะไม่ได้รับแอปเปิล (แจกให้คนละ 0 ผล) หรือสามารถแจกให้คนได้อนันต์เพราะแอปเปิลที่จะแจก ย่อมไม่มีวันหมด นี่เป็นเหตุผลที่เลขคณิตมูลฐานกำหนดให้การหารด้วยศูนย์ไม่มีความหมาย หรือไม่นิยาม

อีกทางหนึ่งที่สามารถใช้อธิบายการหารได้นั่นคือการลบซ้ำกันไปเรื่อย ๆ ซึ่งการหารด้วยวิธีนี้จะเป็นการลบตัวตั้งด้วยตัวหารหลาย ๆ ครั้งจนกว่าตัวตั้งจะมีค่าน้อยกว่าตัวหาร และอาจเหลือเศษจากการหารอยู่ด้วย ตัวอย่างเช่น การหาร 13 ด้วย 5 เราสามารถนำ 5 ไปลบออกจาก 13 จำนวน 2 ครั้ง และจะเหลือเศษเท่ากับ 3 ซึ่งสามารถสรุปเป็น ${\displaystyle \textstyle {\frac {13}{5}}}$ = 2 เศษ 3 แต่ในกรณีที่ตัวหารเป็น 0 ถึงแม้จะลบตัวตั้งไปถึงอนันต์ครั้ง ก็ยังไม่สามารถทำให้ตัวตั้งมีค่าน้อยกว่าตัวหารได้ ดังนั้นการหารด้วยศูนย์จึงไม่นิยาม

ความพยายามในอดีต

ตำรา พรัหมสผุฏะ สิทธานตะ (Brahmasphuta-siddhanta) เขียนโดยพรัหมคุปตะ (Brahmagupta) (ค.ศ. 598 - 668) ซึ่งเป็นตำราเล่มแรกสุดที่ค้นพบ ที่กำหนดให้เลข 0 เป็นตัวเลขพิเศษ เพื่อที่จะนิยามการกระทำทางเลขคณิตที่เกี่ยวข้องกับ 0 โดยเฉพาะ อย่างไรก็ตามพรัหมคุปตะก็ประสบความล้มเหลวในความพยายามที่จะอธิบายการหารด้วยศูนย์ เพราะคำนิยามของเขาสามารถพิสูจน์ได้ง่ายและนำไปสู่ความผิดพลาด ดังข้อความที่ยกมา

"...จำนวนบวกและลบที่หารด้วยศูนย์ ได้ผลลัพธ์เป็นเศษส่วนที่มีศูนย์เป็นตัวส่วน ศูนย์ที่หารด้วยจำนวนบวกหรือลบ ได้ผลลัพธ์เป็นศูนย์ หรือเศษส่วนที่มีศูนย์เป็นตัวเศษและจำนวนนั้นเป็นตัวส่วน อย่างใดอย่างหนึ่ง ศูนย์ที่หารด้วยศูนย์ ได้ผลลัพธ์เป็นศูนย์..."

ใน ค.ศ. 830 มหวิระ (Mahavira) พยายามที่จะแก้ข้อผิดพลาดของพรัหมคุปตะแต่ก็ไม่สำเร็จ ซึ่งในหนังสือ คณิตะ สาระ สังครหะ กล่าวไว้ว่า

"...ตัวเลขหนึ่งๆ จะมีค่าไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อหารด้วยศูนย์..."

ในเวลาต่อมาภาสกะระที่ 2 (Bhāskara II) (ค.ศ. 1114 - 1185) พยายามที่จะแก้ปัญหานี้โดยการนิยามให้ ${\displaystyle \textstyle {\frac {n}{0}}=\infty }$ ซึ่งนิยามนี้สามารถมีความเป็นไปได้ แต่ก็อาจนำไปสู่ปฏิทรรศน์หากใช้อย่างไม่ระมัดระวัง ซึ่งปฏิทรรศน์เหล่านั้นก็ยังไม่สามารถแก้ได้จวบจนถึงปัจจุบัน^[1] (ดูตัวอย่างที่หัวข้อลิมิต)

การแปลความหมายในพีชคณิต

สิ่งหนึ่งที่เป็นที่ยอมรับในหมู่นักคณิตศาสตร์ด้วยกันว่า วิธีธรรมดาที่สุดที่จะใช้อธิบายความหมายของการหารด้วยศูนย์ คือการนิยามการหารด้วยการกระทำทางเลขคณิต กฎเกณฑ์พื้นฐานของเลขคณิตคือจำนวนเต็ม จำนวนตรรกยะ จำนวนจริง และจำนวนเชิงซ้อน ซึ่งภายใต้กฎเกณฑ์ดังกล่าวการหารด้วยศูนย์จะไม่ถูกนิยาม และจะต้องคงไว้อยู่อย่างนั้นในระบบคณิตศาสตร์ใดๆ เพื่อให้เป็นกฎเกณฑ์ที่ยอมรับกันโดยทั่วไปในฟีลด์ เหตุผลคือการหารถูกนิยามให้เป็นอินเวิร์สของการคูณ นั่นหมายความว่า ค่าของ ${\displaystyle \textstyle {\frac {a}{b}}}$ จะมีค่าเท่ากับคำตอบของ x ในสมการ bx = a ตราบใดที่ค่านั้นยังคงมีคำตอบและมีเพียงหนึ่งเดียว นอกเหนือจากนั้นจะปล่อยให้เป็นไม่นิยาม

หากกำหนดให้ b = 0 ในสมการ bx = a จะสามารถเขียนเป็น 0x = a หรือ 0 = a ดังนั้นสมการ bx = a ในกรณีนี้จึง (1) ไม่มีคำตอบเมื่อ a ไม่เท่ากับ 0 และ (2) มีคำตอบของสมการเป็นค่า x ใดๆ เมื่อ a เท่ากับ 0 ในกรณีดังกล่าวไม่มีค่าใดที่เป็นหนึ่งเดียว ดังนั้น ${\displaystyle \textstyle {\frac {a}{b}}}$ จึงไม่นิยาม และในทางกลับกัน นิพจน์ ${\displaystyle \textstyle {\frac {a}{b}}}$ จะถูกนิยามว่า b ต้องมีค่าไม่เท่ากับ 0 เสมอ

เหตุผลวิบัติที่เกิดจากการหารด้วยศูนย์

เราสามารถปลอมแปลงกรณีพิเศษของการหารด้วยศูนย์ด้วยความขัดแย้งทางพีชคณิต โดยใช้การพิสูจน์ที่ไม่สมเหตุสมผลว่า 1 = 2 ดังตัวอย่างต่อไปนี้

เริ่มต้นด้วยสมมติฐานที่ว่า

${\displaystyle 0\times 1=0}$

${\displaystyle 0\times 2=0}$

ดังนั้นสมการต่อไปนี้ต้องเป็นจริง

${\displaystyle 0\times 1=0\times 2}$

จากนั้นนำศูนย์ไปหารทั้งสองข้างของสมการ

${\displaystyle \textstyle {\frac {0}{0}}\times 1={\frac {0}{0}}\times 2}$

ตัดทอนผลลัพธ์สุดท้าย จะได้

${\displaystyle 1=2\,}$

เหตุผลวิบัติ (fallacy) อยู่ที่การตั้งสมมติฐานที่ไม่สมบูรณ์ ว่าการหารด้วยศูนย์ทำให้ ${\displaystyle \textstyle {\frac {0}{0}}}$ เท่ากับ 1

คนทั่วไปอาจรับรู้ได้ง่ายว่าการพิสูจน์ข้างต้นนั้นไม่สมเหตุสมผล สำหรับความขัดแย้งเดียวกันนี้สามารถนำเสนอให้อยู่ในรูปแบบอื่นซึ่งทำให้ยากขึ้นต่อการชี้จุดข้อผิดพลาด ดังเช่นตัวอย่างนี้ ถ้าเปลี่ยน 1 ให้เป็น x แล้วค่าของ 0 จะซ่อนอยู่ในนิพจน์ x - x และค่าของ 2 ก็จะซ่อนอยู่ในนิพจน์ x + x จากตัวอย่างด้านบนจึงสามารถเขียนให้อยู่ในอีกรูปแบบหนึ่งได้ดังนี้

${\displaystyle (x-x)x=x^{2}-x^{2}=0\,}$

${\displaystyle (x-x)(x+x)=x^{2}-x^{2}=0\,}$

ดังนั้น

${\displaystyle (x-x)x=(x-x)(x+x)\,}$

หารด้วย ${\displaystyle x-x\,}$ ทั้งสองข้างของสมการ

${\displaystyle x=x+x\,}$

จากนั้นหารด้วย ${\displaystyle x\,}$ ทั้งสองข้าง จะได้

${\displaystyle 1=2\,}$

พีชคณิตนามธรรม

แนวความคิดที่ใช้กับเลขคณิตพื้นฐาน มีความคล้ายกันกับโครงสร้างเชิงพีชคณิตทั่วไป เช่นในเรื่องของริงและฟีลด์ ในฟีลด์หนึ่งๆ องค์ประกอบทุกอย่างที่ไม่เป็นศูนย์จะสามารถอินเวิร์สได้ภายใต้การคูณ ดังนั้นการหารจึงเป็นปัญหาอยู่ที่การหารด้วยศูนย์เท่านั้น เหตุผลดังกล่าวยังคงเป็นจริงในสกิวฟีลด์ (skew field) (ด้วยเหตุผลนี้จึงเรียกได้ในอีกชื่อว่า ริงการหาร) แต่อย่างไรก็ตาม การหารด้วยองค์ประกอบที่ไม่เป็นศูนย์อาจทำให้เกิดปัญหาได้ในริงอื่นๆ ตัวอย่างเช่น ในการพิจารณาริง Z/6Z ของจำนวนเต็ม mod 6 คำถามคือเราจะให้ความหมายกับนิพจน์ ${\displaystyle \textstyle {\frac {2}{2}}}$ ได้อย่างไร ซึ่งควรจะมีคำตอบ x เพียงหนึ่งเดียวสำหรับสมการ 2x = 2 ในจำนวนจริง แต่ 2 ไม่สามารถมีอินเวิร์สของการคูณภายใต้ริง Z/6Z และสมการนี้มีคำตอบได้สองอย่างคือ x = 1 และ x = 4 ดังนั้นนิพจน์ ${\displaystyle \textstyle {\frac {2}{2}}}$ จึงไม่นิยาม

ลิมิตกับการหารด้วยศูนย์

กราฟของฟังก์ชัน y = 1/x เมื่อ x มีค่าเข้าใกล้ 0 แล้ว y จะมีค่าเข้าใกล้อนันต์

เราอาจสามารถนิยาม ${\displaystyle \textstyle {\frac {a}{0}}}$ ได้โดยการพิจารณาลิมิตของ ${\displaystyle \textstyle {\frac {a}{b}}}$ เมื่อ b มีค่าเข้าใกล้ 0

สำหรับค่า a ที่เป็นบวก จะได้ว่า

${\displaystyle \lim _{b\to 0^{+}}{a \over b}={+}\infty }$

และสำหรับค่า a ที่เป็นลบ จะได้ว่า

${\displaystyle \lim _{b\to 0^{+}}{a \over b}={-}\infty }$

ดังนั้น เราอาจนิยามให้ ${\displaystyle \textstyle {\frac {a}{0}}}$ มีค่าเป็น +∞ เมื่อ a เป็นจำนวนบวก และมีค่าเป็น −∞ เมื่อ a เป็นจำนวนลบ อย่างไรก็ตามการนิยามนี้อาจทำให้เกิดความยุ่งยากด้วยเหตุผลสองประการ

1. อนันต์ที่เป็นบวกและลบไม่ใช่จำนวนจริง ดังนั้นถ้าหากเราต้องการคงเหลือบริบทไว้ให้เป็นจำนวนจริง เราจะต้องไม่นิยามอะไรที่มีความหมายพิเศษมากไปกว่าจำนวนจริง และถ้าหากต้องการใช้นิยามดังกล่าว เราจะต้อง ขยายเส้นจำนวนจริงออกไป
2. การหาลิมิตทางขวาเพียงอย่างเดียวเป็นการเลือกโดยไม่มีกฎเกณฑ์ เราอาจสามารถหาลิมิตทางซ้ายและได้นิยามของ ${\displaystyle \textstyle {\frac {a}{0}}}$ มีค่าเป็น −∞ เมื่อ a เป็นจำนวนบวก และมีค่าเป็น +∞ เมื่อ a เป็นจำนวนลบ (สลับกัน) ซึ่งสามารถแสดงให้เห็นโดยใช้สมการดังนี้ (สมมติว่าเส้นจำนวนจริงได้ถูกขยายออกไปถึงอนันต์แล้ว)

${\displaystyle +\infty ={\frac {1}{0}}={\frac {1}{-0}}=-{\frac {1}{0}}=-\infty }$

ซึ่งไม่ค่อยสมเหตุสมผล กลายเป็นว่า ${\displaystyle \textstyle {\frac {a}{0}}}$ สามารถเป็นบวกและลบได้ในเวลาเดียวกัน ดังนั้นการขยายที่ควรใช้มีเพียง อนันต์ที่ไม่มีเครื่องหมาย เท่านั้น

นอกเหนือไปจากนั้น นิยามของ ${\displaystyle \textstyle {\frac {0}{0}}}$ ไม่สามารถกำหนดได้โดยการหาลิมิตบนเศษส่วน เนื่องจากลิมิต

${\displaystyle \lim _{(a,b)\to (0,0)}{a \over b}}$

นั้นไม่มีคำตอบ ส่วนลิมิตที่อยู่ในรูปแบบ

${\displaystyle \lim _{x\to 0}{f(x) \over g(x)}}$

ในกรณีที่เมื่อ x มีค่าเข้าใกล้ 0 แล้วทำให้ทั้ง f (x) และ g (x) มีค่าเข้าใกล้ 0 ทั้งคู่ คำตอบของลิมิตอาจจะลู่เข้าไปยังค่าใดค่าหนึ่ง หรือไม่ลู่เข้าเลยก็ได้ (โดยใช้หลักเกณฑ์โลปีตาลช่วยคำนวณ) ซึ่งแนวความคิดนี้ก็ยังไม่สามารถนำไปสู่การนิยาม ${\displaystyle \textstyle {\frac {0}{0}}}$ ได้อยู่ดี (เพราะมีหลายคำตอบ)

การแปลความหมายแบบรูปนัย

การคำนวณแบบรูปนัย (formal calculation) เป็นตัวอย่างหนึ่งที่นำมาอธิบายการคำนวณในกฎเกณฑ์ทางเลขคณิต โดยไม่มีการพิจารณาว่าผลลัพธ์จากการคำนวณจะถูกนิยามไว้แล้วเป็นอย่างดีหรือไม่ ดังนั้นการกำหนดให้ ${\displaystyle \textstyle {\frac {a}{0}}}$ มีค่าเป็น ∞ เมื่อ a มีค่าไม่เท่ากับศูนย์ เป็นกฎเกณฑ์อย่างหยาบ (rule of thumb) ในบางครั้งก็อาจมีประโยชน์ ซึ่งค่าอนันต์นี้จะสามารถเป็นได้ทั้งจำนวนบวก จำนวนลบ หรือไม่มีเครื่องหมาย ขึ้นอยู่กับบริบทที่แวดล้อม ดังตัวอย่างนี้เป็นการคำนวณแบบรูปนัย

${\displaystyle \lim \limits _{x\to 0}{{\frac {1}{x^{2}}}={\frac {\lim \limits _{x\to 0}{1}}{\lim \limits _{x\to 0}{x^{2}}}}}={\frac {1}{+0}}=+\infty }$

ซึ่งจะเกิดผลลัพธ์ที่ไม่น่ายอมรับแต่ก็สามารถนำไปใช้ได้ เช่นเดียวกับการคำนวณแบบรูปนัยอื่นๆ สำหรับความถูกต้องตามตรรกะซึ่งตรงข้ามกับแบบรูปนัยอาจจะกล่าวเพียงว่า

${\displaystyle \lim _{x\to 0}{\frac {1}{x^{2}}}=+\infty }$

(+∞ ไม่ใช่จำนวน แต่เป็นวัตถุอย่างหนึ่งที่นำแนวคิดไปสู่เส้นจำนวนจริง คล้ายกับแนวคิดที่ว่า เซตของจุดเป็นสมาชิกของการยุบขนาดมิติ (compactification) บนส่วนของเส้นตรงที่ประกอบด้วยจุดสองจุด ในทอพอโลยี)

อ้างอิง

1. "Zero". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2008-12-04. สืบค้นเมื่อ 2007-07-29.