正数和负数

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相反意义的量数轴直觉数的扩充

正数和负数

从温度计的零度读起,看清正负数如何精确描述相反意义的量。

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相反意义的量数轴直觉数的扩充

正数和负数

从温度计的零度读起,看清正负数如何精确描述相反意义的量。

1第 1 页 · 正数和负数

什么是相反意义的量

上页把数字分成正负两类。可什么样的量才需要分正负?零上5℃与零下5℃、上楼5层与下楼5层——数学上把这种「说同一件事、方向相反」的量叫做相反意义的量。我们来拆它的三个特征。

同一种量
描述同一类对象——温度对温度、收入对支出、高度对深度;温度和距离不构成相反
方向相反
一个往多/高/上走,另一个往少/低/下走,趋势相反,不是数值大小相反
相对基准
正负是相对零点定义的:海拔零点是海平面,收入零点是起始点
地图海拔对应 →相反意义的量

都是高度,方向以上下区分,零点是海平面

2第 2 页 · 什么是相反意义的量

相反意义的量示意

中心为概念,下方分支是两条判定条件和三组生活实例。

图解渲染中…
C1条件一:两者现实意义相反C2条件二:结果可用数衡量E1每组的两个子节点就是一对相反量
3第 3 页 · 相反意义的量示意

为什么需要正负数

上页我们画出了「向东5米」和「向西5米」——相反意义的量用图能区分,但说话和写公式时总不能说一半画一半吧?

语言的累赘
进/出、上/下、涨/跌……每种相反场景都要造一对新词
符号的统一
+/-只两个符号,覆盖所有相反量场景,无需为每种语境造新词
简洁可运算
把负号引入计算,加减乘除规则自然延伸,处理相反量变成代数问题
路标方向箭头对应 →正负号

东南西北各有词描述,一个箭头就够;正负号一对覆盖所有相反量

4第 4 页 · 为什么需要正负数

正数的定义

前面我们看到了相反意义的量——收入与支出、上升与下降。那用什么数来表示"收入""上升"这一类量呢?这就轮到正数登场了。

大于零的数
数学上严格定义为比 0 大的实数,比如 1、3.5、100
用"+"号表示
写在数字前面,写"+5"和不写的"5"数值相等
0 不算正数
0 是正数与负数的分界点,它既不是正数也不是负数
海平面以上的高度对应 →正数

海平面就是 0,往上每升高 1 米就是 +1;海平面本身(0)不属于"以上"

x>0xR+x > 0 \Leftrightarrow x \in \mathbb{R}_{+}
5第 5 页 · 正数的定义

负数的定义

上页给正数下了定义:大于零。可 0 不是数的终点——水下深度、欠下的债,都"小于零"。这页看小于零的数怎么写。

定义
小于 0 的实数叫负数
记号规则
数字前必须加"-"号,读作「负」
写法示例
-1、-3.5、-100 都合法,符号不能省
地下停车场对应 →负数

地面层是 0,B1 是 -1、B2 是 -2,楼层号前的「-」就是负号

6第 6 页 · 负数的定义

正数与负数的对比

符号、大小、读写看似简单,但正负数在三个维度的规则各不相同——对齐看才不会被符号骗倒。

正数
  • 符号:可显式标"+",也可省略
  • 大小:大于 0,数字越大值越大
  • 读写:可读"正 X",正号也可不读
负数
  • 符号:必须标"-",绝对不能省
  • 大小:小于 0,数字越大值反而越小
  • 读写:必须读"负 X","负"字不可省
正负数在数学中地位平等,但负号是负数的"身份证明",省了就变正数;比大小时不要被数字本身迷惑,符号决定方向。
7第 7 页 · 正数与负数的对比

正负数在数轴上的表示

从左到右读这张数轴:左边负数区、中间 0、右边正数区,箭头与连线说明分布规律。

图解渲染中…
N左侧负数区,数值皆负,离 0 越远绝对值越大Z0 是分界点,既不正也不负,是原点P右侧正数区,数值皆正,离 0 越远绝对值越大
8第 8 页 · 正负数在数轴上的表示

0的意义

上一页我们刚用「大于 0」和「小于 0」给正数、负数下了定义——这两条线像两扇门,那 0 站在门口:推开任何一扇都进不去。这正是 0 特殊身份的全部线索。

0 不是正数
正数要求严格大于 0,而 0 不大于 0,不满足这条
0 不是负数
负数要求严格小于 0,而 0 不小于 0,同样被排除
0 是唯一分界点
在数轴上,0 是把正数一侧和负数一侧分开的唯一边界
0 是比较的基准
所有正数都比 0 大、所有负数都比 0 小,0 是天然的参照原点
海平面对应 →0 在正负数之间

海平面以上是山的高度(正),以下是海的深度(负);海平面本身既不是山也不是海底

负数<0<正数\text{负数} < 0 < \text{正数}
9第 9 页 · 0的意义

0在数轴上的位置

从左到右看:负数区→0→正数区。0站在正中央,是分界点也是参照原点。

图解渲染中…
a20位于数轴正中央,把数轴分成左右两半a4所有数的位置都以0为参照点a50既不属于正数,也不属于负数
10第 10 页 · 0在数轴上的位置

有理数的分类

前几页分别认识了正数、负数和零各自的意义。这一页把它们并排摆放,看在数系家族中各自占据什么位置——这就引出按符号对有理数的分类。

分类依据
按数的符号(正、负、零)将有理数分为三类
正数
大于0的数,如3、0.5、2/7,记作集合{x | x > 0}
负数
小于0的数,如-3、-0.5、-2/7,记作集合{x | x < 0}
零的特殊地位
既不属于正数集,也不属于负数集,是二者的分界
银行账户余额对应 →有理数三类

存款为正,欠款为负,零余额既不算存款也不算欠款,但它是账户的基准

{x>0,x 是正数x<0,x 是负数x=0,x 既不是正数也不是负数\begin{cases} x > 0, & x \text{ 是正数} \\ x < 0, & x \text{ 是负数} \\ x = 0, & x \text{ 既不是正数也不是负数} \end{cases}
11第 11 页 · 有理数的分类

"+"号的三种用法

前面学过正数可以写成 +5,也可以省略成 5。这个小小的「+」其实一人分饰三角——它一会儿是动作,一会儿是定语,一会儿又变成了名字。

运算符号(二元)
放在两个数之间做加法:3 + 5 = 8,'+' 是动作指令
正数的标记(一元)
写在数前面标正号:+5 等价于 5,因为正数默认常省略
加法(运算本身)
作为名词指代运算本身:「加法是四则运算之一」,'+' 代表整件事
中文「花」字对应 →+ 号的三种身份

花朵(名词)对应加法;花钱(动词)对应 3+5 中的+;花哨(形容词)对应 +5 中的+

5  +  (+3)  =  85\;+\;(+3)\;=\;8
12第 12 页 · "+"号的三种用法

"-"号的三种用法

上一页看到,“+”会因位置和语境承担不同角色。把横线换成“−”也一样:先看它出现在哪里,再判断表示运算关系,还是数本身的标记。

运算符号
写在两个式子或数量之间,是二元减法运算的运算符
减法意义
从被减数中扣除减数,结果可正、可为0,也可为负
负数标记
写在单个数前标明它是负数;−5省略−号就变成5
购物小票对应 →减号的位置

金额间写“−”表示扣除,数量前写“−”表示负余额;含义由位置决定。

73=4,07=7,557-3=4,\quad 0-7=-7,\quad -5\ne 5
13第 13 页 · "-"号的三种用法

正负号 vs 运算符号

同一个 "+" 或 "-",在不同语境下含义截然不同,这是最易混淆的点。

正负号
  • 用途:表示数的正负性质
  • 位置:写在单个数前面
  • 例子:+5、−3
  • 含义:标明它是正数或负数
运算符号
  • 用途:表示加减运算关系
  • 位置:写在两个数之间
  • 例子:3+5、7−2
  • 含义:连接两数进行运算
符号跟着一个数,是正负号;连接两个数,是运算符号。
14第 14 页 · 正负号 vs 运算符号

表示相反量的步骤

表示相反意义的量,分三步走:定基准、选方向、标符号。

1
找基准量
确定一个'零起点'作为参照,比如海平面、初始余额、计时起点
2
定正方向
约定哪个方向记为正——一旦定下,另一侧自动为负
3
标正负号
用+号标记正向变化,-号标记反向变化——符号才有具体含义
15第 15 页 · 表示相反量的步骤

基准量的确定

上一步我们学会了用正负数表示相反意义的量。但动手写之前,还有一个根本问题没解决:那个 '0' 定在哪里?答案就是基准量。

基准量
被当作 '0' 的那个起点,所有正负数都相对它来衡量
统一性原则
同一问题中,基准量一旦选定,中途就不能更换
常见基准
海拔看海平面、温度看冰水混合物、盈亏看成本价
反面教训
中途换基准,正负方向会颠倒,结论自相矛盾
钉在墙上的卷尺对应 →固定不动的基准量

尺子一头钉死才能量长度;基准量定死才能谈正负

16第 16 页 · 基准量的确定

海拔高度的表示

从海平面这个基准出发:高于海平面用正数,低于海平面用负数,海平面本身记为0。

图解渲染中…
C1珠穆朗玛峰,世界最高峰,+8848米C20就是海平面这个基准点本身C3死海,世界陆地最低点,-154米
17第 17 页 · 海拔高度的表示

温度的表示

以 0℃ 为基准,高于基准用正数(热)、低于基准用负数(冷)。箭头表示从物理现象到数值的归类过程。

图解渲染中…
a1纯水在标准大气压下结冰的物理温度b1人为选定的温标零点,作为正负分界c1温度值大于 0℃,记作正数表示热c2温度值小于 0℃,记作负数表示冷
18第 18 页 · 温度的表示

经济活动的表示

沿箭头方向读:先定收支方向,再用正负号记录,最后看代数和判定盈亏。

图解渲染中…
B菱形是判断节点,分出流入与流出两条路E把一段时期内的所有项目加总求净值F依据代数和前面的符号判定最终结果G/H/I正为盈余、负为亏损、零为持平
19第 19 页 · 经济活动的表示

正负数的大小比较

前面我们已经能在数轴上找到正数、负数和0。现在把它们放到同一条数轴上:点越往右,代表的数越大;这个规律同样适用于正数和负数。

统一数轴
比较两个数时,先把它们标在同一条数轴上。
右大左小
在同一条数轴上,右边的数大于左边的数。
差值验证
若b在a右边,则b-a>0;差值为正,正是b>a的判据。
绝对值陷阱
离0越远只说明绝对值更大;如−5<−1,却比−1离0更远。
楼梯越上越高对应 →数轴越右越大

上楼梯时位置越高;沿数轴向右移动时数值也增大,左右方向对应大小顺序。

a>bab>0a>b\Longleftrightarrow a-b>0
20第 20 页 · 正负数的大小比较

核心概念自测

点击作答

以下关于正数和负数的说法,哪一项最准确地揭示了它们的本质?

21第 21 页 · 核心概念自测

本节知识要点

  • 正负数本质是给数量赋予方向,是一切运算规则的源头
  • 0不是「没有」,而是基准量——正负的分界与比较的原点
  • +/-号可能同时是性质号与运算号,要靠上下文判断角色
  • 数轴把正负抽象为位置:方向由左右,距离由绝对值决定
延伸主题:有理数四则运算绝对值的几何意义数轴上的位移问题
22第 22 页 · 本节知识要点

课后思考

三个问题,先自己想,再看参考答案——值得停下来多想想。

1为什么 0 既不是正数也不是负数?如果把 0 也算作正数,会出现什么矛盾?

参考答案0 是正与负的分界点。若 0 算正数,"大于 0"和"大于等于 0"的边界就模糊了;而且相反意义的量必须成对出现,0 落了单,破坏对称。

2除了海拔、温度、盈亏,生活中还有哪些场景用到正负数?这些场景里的"零点"各自是怎么确定的?

参考答案比如进球正失球负,零点是个人零进球状态;股票涨跌,零点是昨日收盘价。零点的本质是"什么算不变"——由场景里"不增不减"的基准决定。

3"相反意义的量"这个思路只能用在数字上吗?方向、旋转、磁极的"相反"和正负数的"相反"是同一种"相反"吗?

参考答案结构相似——都在某个维度上朝两个方向偏离基准。但磁极、颜色的"相反"机制不同(吸引/排斥、视觉对比),不能简单套用正负号。可以类比,别等同。

23第 23 页 · 课后思考
正数和负数 · 知识图解