Помоги проекту - поделись книгой:
Когда мы считаем, используя арабские цифры, то первое, что следует сделать, — это запомнить суммы чисел от нуля до девяти. Как мы учимся считать? Сначала запоминаем, что 1 + 1 = 2, 2 + 3 = 5, 4 + 5 = 9, 6 + 7= 13 и так далее. Очень важно также усвоить, что 0 + 0 = 0.
Когда мы считаем на счетах, запоминать ничего не надо. Необходимо только научиться считать от одного до десяти. На этом этапе преимущества расчетов при помощи чисел, записанных на бумаге, еще незаметны. Кажется, что счеты удобнее.
А теперь попробуем сложить два больших числа, например 5894 и 2578. Все, что для этого нужно, — это уметь складывать числа в пределах десяти. Сначала разобьем числа на единицы, десятки, сотни и тысячи, то есть на разряды.
Теперь разобьем число 1300 на 1000 и 300, 160 на 100 и 60, а 12 на 10 и 2. Теперь надо просто прибавить тысячи к тысячам, сотни к сотням, десятки к десяткам. В результате получаем: 8000 и 400 и 70 и 2, то есть 8472.
Упрощенно процесс сложения можно изобразить так:
Упрощение заключается в том, что мы не записываем «нули» и переносим «единицы» в следующий разряд, то есть десятки переносим в колонку десятков и так далее.
Вычитание — это процесс, обратный сложению. Предположим, надо из 531 вычесть 298. Мы также разбиваем числа на разряды:
Вначале может показаться, что нам придется вычитать 8 из 1, и 90 из 30. Но это не так, мы ведь можем занять один десяток и одну сотню из следующих разрядов. Перепишем таблицу в новом виде:
Таким образом, получаем ответ: 233.
Когда мы производим вычитание в столбик, то следуем именно этому принципу, хотя форма записи более упрощенная.
Человек, привыкший считать на счетах, сможет произвести эту операцию гораздо быстрее, чем средний ученик, вычисляющий разность этих двух чисел на бумаге. Однако счеты требуют, кроме всего прочего, наработки чисто механических навыков.
В то же время, когда мы считаем в столбик, мы записываем все этапы, и легко проверить правильность расчетов. Используя счеты, этого сделать нельзя. Метод подсчета в столбик настолько же эффективнее подсчета на счетах, насколько изображение чисел на счетах эффективнее, чем показывать числа на пальцах.
Каждый первоклассник, изучающий арифметику, знает, что сложить можно любые два числа. Он также знает, что к вычитанию это правило не относится.
Можно вычесть 5 из 7 и получить 2. Можно вычесть 7 из 7 и получить 0. А можно ли вычесть 8 из 7?
В Древней Греции на этот вопрос отвечали отрицательно. Как можно произвести действие, в результате которого получается меньше, чем ничего? Ведь «ничего» — это последний предел, дальше идти некуда.
Эта точка зрения торжествовала вплоть до 1500-х годов. А в наши дни кажется совершенно очевидным, что могут существовать числа, меньшие, чем ничего, то есть меньшие ноля.
Предположим, у вас есть семь долларов, а тут к вам подходит ваш приятель и напоминает о вашем долге в восемь долларов. Будучи честным человеком, вы тут же возвращаете ему семь долларов и говорите приятелю, что вернете ему остаток в один доллар, как только получите эту сумму.
Теперь у вас осталось меньше, чем ничего, ведь денег у вас нет, а, напротив, есть долг в один доллар. Другими словами, если из семи вычесть восемь, мы получаем число, на единицу меньшее, чем ноль. Что же тут трудного или непонятного?
Предположим, вы собираетесь дойти до города, который находится в семи километрах к югу от того места, где вы находитесь. Итак, вы идете на юг. Проходите один километр, и вам остается пройти еще шесть, проходите два километра, и вам остается еще пять. Проходите семь километров — и вот вы на месте. До города осталось пройти ноль километров.
Но вы настолько рассеянны (или настолько упрямы), что продолжаете двигаться дальше и проходите еще один километр к югу. Итак, вы прошли восемь километров и оказались на расстоянии в один километр к югу от города. Итак, до города было семь километров, вы прошли восемь. Значит, вы получаете число меньше нуля. Конечно, вы можете сказать, что расстояние начало увеличиваться снова. Но ведь теперь вы двигаетесь в противоположном направлении. Разве это одно и то же?
Для того чтобы прояснить ситуацию, нарисуем вертикальную линию и отметим на ней точкой положение города. Эту точку мы будем считать точкой отсчета или нулем. Теперь нанесем на прямую по несколько равных делений выше и ниже нулевой точки. Пусть каждое деление соответствует одному километру.
Числа выше точки отсчета (то есть к северу от города) будем называть обычными (или положительными), а числа ниже точки отсчета (то есть к югу от города) будем называть числами, меньшими нуля, или отрицательными.
Теперь нам понадобится специальный символ, который поможет различить положительные и отрицательные числа. Обычно для этого используют систему обозначений, основанную на способе, которым можно получить это число. Любое положительное число получается в результате сложения других положительных чисел. Символом сложения является знак «+», поэтому положительные числа обозначаются +1, +2, +3 и так далее. Само название «положительное число» говорит о том, что это число реально существует.
Отрицательные числа получаются как результат вычитания, скажем, при вычитании (2 - 3) мы получаем число на единицу меньше нуля. Его обозначают -1. Таким образом, отрицательные числа обозначают -1, -2, -3, и так далее.[1]
То, что числа, меньшие нуля, получили название отрицательных, не случайно. Даже когда математики освоили операции с числами, меньшими нуля, надо было подчеркнуть, что эти числа не существуют в действительности.
Символ (+) перед положительным числом появился где-то в 1500-х годах. В те времена операцию сложения обозначали как &, например «2 плюс 3» записывали как «2&3». В скорописи значок «&» постепенно трансформировался в «φ», а потом в «+». Что же касается происхождения знака «-», то на этот счет существует множество различных теорий, но ни одна из них не кажется достаточно убедительной.
Обратите внимание, ноль не является ни положительным, ни отрицательным числом.
Теперь у нас вертикальная размеченная линия, то есть шкала, и мы можем использовать ее для операций сложения и вычитания. Поскольку положительные числа увеличиваются вверх по шкале, а операции сложения положительных чисел приводят к увеличению чисел, будем считать, что сложение — это движение вверх по шкале. Вычитание — это операция, противоположная сложению, поэтому вычитание — это движение вниз по шкале.
Предположим, надо сложить +2 и +5. Записать это выражение можно следующим образом: (+2) + (+5). Скобки нам понадобились по той причине, что необходимо отделить плюс как знак операции сложения от плюсов, обозначающих положительные числа. Но поскольку мы привыкли к тому, что обычно имеем дело с положительными числами, то часто знаки « + » перед положительными числами просто опускают. Тогда получаем: 2 + 5. Необходимо ставить знаки «+» перед положительными числами только в тех случаях, когда надо привлечь особое внимание к знаку числа.
Теперь отложим на нашей шкале два деления вверх. Это число 2. Прибавим еще 5 делений и остановимся на делении 7, то есть 2 + 5 = 7. Мы можем начать с 5 и прибавить два деления. Мы опять получим 7. Тут я еще раз хочу обратить ваше внимание на тот факт, что от перемены мест слагаемых сумма не меняется.
Теперь займемся вычитанием. Предположим, надо вычесть 2 из 5. От точки 5 на шкале мы откладываем вниз два деления и оказываемся в точке 3. Таким образом, получаем 5-2 = 3.
Теперь нам надо выяснить, как обращаться с отрицательными числами. Можно ли производить с ними такие же действия, как и с положительными числами? Если да, то они окажутся очень полезными, несмотря на то что не являются «настоящими» числами. И действительно, отрицательные числа нашли широчайшее применение не только в науке и инженерной практике, но и в повседневной деятельности. Они применяются, например, в бухгалтерии, где запасы и доходы обозначаются положительными числами, а расходы — отрицательными.
Начнем с простого примера. Определим, чему равно выражение 2 - 5. От точки +2 отложим вниз пять делений, два до нуля и три ниже нуля. Остановимся на точке -3. То есть 2 - 5 = -3. А теперь обратите внимание, что 2-5 совсем не равно 5-2. Если в случае сложения чисел их порядок не имеет значения, то в случае вычитания все обстоит по-другому. Порядок чисел имеет значение.
Теперь перейдем в отрицательную область шкалы. Предположим, надо к -2 прибавить +5. (С этого момента и до конца этой главы мы будем ставить знаки « + » перед положительными числами и заключать в скобки как положительные, так и отрицательные числа, чтобы не путать знаки перед числами со знаками сложения и вычитания.) Теперь нашу задачу можно записать как (-2) + (+5). Чтобы ее решить, от точки -2 вверх поднимемся на пять делений и окажемся на точке +3.
Есть ли в этой задаче какой-то практический смысл? Конечно есть. Предположим, у вас есть долг 2 доллара, а вы заработали 5 долларов. Таким образом, после того, как вы отдадите долг, у вас останется 3 доллара.
Можно также двигаться вниз по отрицательной области шкалы. Предположим, нужно из -2 вычесть 5, или (-2) - (+5). От точки -2 на шкале отложим вниз пять делений и окажемся в точке -7. Какой практический смысл у этой задачи? Предположим, у вас был долг 2 доллара и вам пришлось занять еще 5. Теперь ваш долг равен 7 долларам.
Мы видим, что с отрицательными числами можно проводить такие же операции сложения и вычитания, как и с положительными.
Правда, мы еще освоили не все операции. К отрицательным числам мы прибавляли только положительные числа и вычитали из отрицательных чисел только положительные. А как действовать, если надо складывать отрицательные числа или из отрицательных чисел вычитать отрицательные?
На практике это похоже на операции с долгами. Предположим, с вас списали долг 5 долларов, это означает то же самое, как если бы вы получили 5 долларов. С другой стороны, если я каким-то образом заставлю вас принять ответственность за чей- то долг в 5 долларов, это то же самое, что забрать у вас эти 5 долларов. То есть вычесть -5 — это то же самое, что прибавить +5. А прибавить -5 — это то же самое, что вычесть +5.
Это позволяет нам избавиться от операции вычитания. Действительно, «5 - 2» — это то же самое, что (+5) - (+2) или согласно нашему правилу (+5) + (-2). И в том и в другом случае мы получаем один и тот же результат. От точки +5 на шкале нам нужно спуститься вниз на два деления, и мы получим +3. В случае 5 - 2 это очевидно, ведь вычитание — это движение вниз.
В случае (+5) + (-2) это менее очевидно. Мы прибавляем число, а это означает движение вверх по шкале, но мы прибавляем отрицательное число, то есть совершаем обратное действие, и эти два фактора, взятые вместе, означают, что нам надо двигаться не вверх по шкале, а в обратном направлении, то есть вниз.
Таким образом, мы опять получаем ответ +3.
Почему, собственно, нужно заменять вычитание сложением? Зачем двигаться вверх «в обратном смысле»? Не проще ли просто двигаться вниз? Причина заключается в том, что в случае сложения порядок слагаемых не имеет значения, в то же время в случае вычитания он очень важен.
Мы уже выяснили раньше, что (+5) - (+2) — это совсем не то же самое, что (+2) - (+5). В первом случае ответ +3, а во втором -3. С другой стороны, (-2) + (+5) и (+5) + (-2) в результате дают +3. Таким образом, переходя на сложение и отказываясь от операций вычитания, мы можем избежать случайных ошибок, связанных с перестановкой слагаемых.
Аналогично можно действовать при вычитании отрицательного числа. (+5) - (-2) — это то же самое, что (+5) + (+2). И в том и в другом случае мы получаем ответ +7. Мы начинаем с точки +5 и двигаемся «вниз в обратном направлении», то есть вверх. Точно так же мы бы действовали, решая выражение (+5) + (+2).
Замену вычитания сложением ученики активно используют, когда начинают изучать алгебру, и поэтому эта операция называется «алгебраическим сложением». На самом деле это не совсем справедливо, поскольку такая операция, очевидно, является арифметической, а совсем не алгебраической.
Глава 3
В ОБХОД «СЛОЖЕНИЯ»
Предположим, мы нарисовали квадрат со стороной в 1 дюйм. Такой квадрат можно назвать квадратным дюймом и использовать его как единицу площади.
Теперь нарисуем квадрат со стороной 2 дюйма, затем разделим каждую сторону пополам и разделим квадрат на четыре части. Каждая часть будет представлять собой 1 квадратный дюйм. Проделаем такую же операцию с квадратом со стороной 3 дюйма, но на этот раз каждую сторону разделим на три части. В результате мы получим 9 квадратов площадью 1 квадратный дюйм каждый.
Затем такую же операцию произведем с прямоугольником длиной 9 дюймов и шириной 6 дюймов. После деления мы получим 54 квадрата площадью по 1 квадратному дюйму. Все эти действия показаны на рисунке.
В каждом случае квадраты по 1 квадратному дюйму расположены в горизонтальных рядах и вертикальных столбцах.
Количество квадратов в столбце соответствует длине квадрата или прямоугольника в дюймах, а количество квадратов в ряду — ширине квадрата или прямоугольника в дюймах.
В квадрате площадью 2 квадратных дюйма в каждом из двух столбцов — по два однодюймовых квадрата, 2 + 2 = 4. В трехдюймовом квадрате три столбика, содержащие по три однодюймовых квадрата, 3 + 3 + 3 = 9. В прямоугольнике 6 × 9 мм в каждом из 6 столбцов содержится по 9 однодюймовых квадратов, 9 + 9 + 9 + 9 + + 9 + 9 = 54. Можно просчитать прямоугольник по строкам. В каждой из 9 строк содержится по 6 однодюймовых квадратов, 6 + 6 + 6 + 6 + 6 + 6 + 6 + 6 + 6 = 54.
В общем виде процедура вычисления площадей геометрических фигур заключается в повторном сложении. В случае квадратов и прямоугольников такие вы- числения предельно просты. В случае треугольников и кругов — несколько сложнее. В случае площадей неправильной формы это уже достаточно сложная процедура. Однако площади умели вычислять еще в древних сельскохозяйственных цивилизациях (не будем сейчас обсуждать нашу высокотехнологичную цивилизацию). Уже в глубокой древности производили обмеры земельных участков и вычисляли их площади, как минимум, для того, чтобы определить сумму налога с участка. (У меня вообще есть подозрение, что в древности именно необходимость расчета налогообложения, а не что-либо другое, способствовала интенсивному развитию арифметики.)
Если необходимость повторного счета способствовала созданию операции сложения, то необходимость повторного сложения привела к возникновению нового вида операций с числами.
Начнем с того, что примем новое обозначение и запишем выражение «шесть раз по девять» как 6x9. Значок «х» называется знаком умножения. Такая запись означает, что складывают девять раз по шесть или шесть раз по девять. Как я уже показал на предыдущем примере и как вы можете убедиться самостоятельно, просчитав свой собственный пример, неважно, какую из двух операций вы сделаете: 6 × 9 = 9 × 6.
Используя это новое наблюдение, мы можем сформулировать общее правило для вычисления площади квадрата или прямоугольника. Площадь этих фигур равна произведению длины на ширину. Следующий необходимый шаг — найти простой способ осуществления операций умножения. Конечно, мы всегда можем воспользоваться повторным сложением, но такой способ неудобен и в случае больших чисел неэффективен.
Скажем, надо вычислить площадь прямоугольного участка размером 129 футов на 54 фута. Нам понадобится перемножить 129 на 54 или 54 на 129, чтобы получить ответ (в данном случае уже в квадратных футах, а не в квадратных дюймах). Это означает, что нам либо надо просуммировать сто двадцать девять раз число 54, либо, наоборот, пятьдесят четыре раза просуммировать число 129. И то и другое достаточно утомительно.
Или другой пример: на этот раз торговая сделка. Предположим, нам надо оплатить 254 дюжины каких-то предметов, которые стоят по 72 цента за дюжину. В этом случае нам придется умножить 254 на 72, то есть двести пятьдесят четыре раза просуммировать число 72. Такие задачи приходится постоянно решать в повседневной жизни, поэтому нам необходима простая и эффективная процедура умножения.
Здесь мы снова сталкиваемся с необходимостью заучивать что-то наизусть. Необходимо твердо знать таблицу умножения, куда входят все возможные комбинации чисел от 1 и до 9 × 9 включительно. Школьники затверживают выражения из таблицы, например 5 × 2 = 10, 7 × 8 = 56 и другие до тех пор, пока цифры не полезут у них из ушей. Но зато, как только этот барьер взят, ребенок понимает, что теперь он знает все, что необходимо для того, чтобы перемножать любые сколь угодно большие числа.
Очень также важно усвоить, что при умножении любого числа на ноль мы всегда получаем ноль. 5 × 0 = 0, 155 × 0 = 0, 14 856 734 × 0 = 0. И конечно, 0 × 0 = 0. Это утверждение легко проверить путем сложения. Если мы складываем пять нулей, мы получаем ноль, если мы складываем 155 нулей, мы опять получаем ноль, и, сколько бы нулей мы ни складывали, в результате мы всегда получим ноль.
Это значит, что если вы запомнили, что 7 × 3 = 21, то вы легко перемножите 70 на 3 или 7 на 30. 70 × 3 = 210, 7 × 30 = 210. Операции умножения не влияют на нули: если вы производите умножение 70 × 30, то оба нуля сохраняются: 70 × 30 = 2100.
Идем дальше. Нам надо перемножить числа, состоящие из разных цифр, отличных от нуля. Для этого мы разобьем число по разрядам, как мы это уже делали при операции сложения. Например, нам надо найти произведение от умножения 3965 × 7. (Произведение — это результат перемножения чисел, так же как сумма — это результат сложения.)
Число 3965 можно представить как 3000 + 900 + 60 + 5.
Теперь легко произвести умножение, поскольку каждое из чисел содержит только по одной значащей цифре, а остальные — нули.
Теперь легко произвести умножение, поскольку каждое из чисел содержит только по одной значащей цифре, а остальные — нули.
Неважно, в каком порядке производить перемножение. Это можно делать справа налево, слева направо и вразбивку. Я делаю это так, как меня научили в школе, то есть справа налево. Кроме того, в школе нас учат не разбивать числа на разряды и не обращать внимания на нули. Тогда запись предыдущего примера будет проще:
Преимущества такой записи при обучении очевидны: ученик быстро и легко осваивает умножение и может быстро перемножать большие числа. Недостаток данной формы записи при обучении состоит в том, что ученик выполняет операции умножения чисто механически и часто не представляет себе, почему он так сделал.
Помимо использования этой сокращенной формы записи, мы также учимся перемножать некоторые числа в уме. Но это все вопросы техники умножения, принцип при этом остается неизменным.
Когда надо перемножить два числа, каждое из которых больше десяти, возникают небольшие дополнительные сложности. При этом мы разбиваем оба числа на разряды и перемножаем каждую часть одного числа на каждую часть другого числа. Таким образом, если надо перемножить 35 и 28, мы делаем это по следующей схеме (стрелки на рисунке показывают порядок умножения, из такой схемы, по-видимому, появился знак умножения «×»).
При перемножении больших чисел мы используем ту же методику, но даже упрощенная схема умножения, которой нас учат в школе, требует значительного внимания, иначе можно запутаться в расчетах. Вы можете убедиться в этом на приведенном ниже примере:
Конечно, и такой метод не очень прост, но он все же гораздо практичнее, чем повторное сложение. Представьте себе, в последнем случае нам пришлось бы складывать 3965 + 3965 + 3965 + 3965 + 3965 + … и так 2197 раз.
В случае сложения противоположным действием является вычитание, для умножения также есть противоположное действие, которое называется деление. Если умножение — это последовательное многократное сложение, то деление — это последовательное многократное вычитание.
Предположим, вы хотите разделить 15 на 3, это действие записывается как 15 : 3, где знак «:» обозначает деление. Один способ выполнить это действие — последовательно вычитать 3 из 15. Так, 15 - 3 = 12, 12 - 3 = 9, 9 - 3 = 6, 6 - 3 = 3, 3 - 3 = 0. Мы добрались до нуля за пять действий вычитания, то есть 15 : 3 = 5.
Но так, конечно, никто никогда не делает. Вместо этого используют ту же методику, что и в случае умножения. Если мы поделим 15 на 3, мы получим какое-то число, после перемножения которого на 3 мы опять получим 15. Мы прошли вперед, вернулись назад и оказались на первоначальном месте. (С этим мы уже сталкивались при сложении и вычитании, которые также являются обратными процессами. Если 7 - 4 = 3, то 3 + 4 = 7).
Таким образом, нашу задачу можно сформулировать следующим образом. На какое число нужно умножить 3, чтобы получить 15? Не сомневаюсь, что вы прекрасно помните таблицу умножения, которую прочно вбивают в голову школьников с младших классов, и поэтому вы автоматически вспоминаете, что для того, чтобы получить 15, надо 3 умножить на 5.
Поскольку 5 × 3 = 15, следовательно, 15 : 3 = 5 и 15 : 5 = 3. Одна и та же строчка в таблице умножения дает ответ на две задачи деления.
Обратите внимание, при делении, так же как и при вычитании, порядок членов в выражении имеет значение. 5 × 3 равно 3 × 5, но 15 : 5 не равно 5 : 15. Число, находящееся слева от знака деления, называется делимым; число, находящееся справа от знака деления, называется делителем; результат деления называется частным. Таким образом, в выражении 15 : 5 = 3, 15 — это делимое, 5 — это делитель, а 3 — это частное.
То, что деление — это обратный процесс, а значит, наиболее сложная арифметическая операция, знает каждый школьник.
Предположим, вам нужно разделить 7715 на 5. Представляете, сколько раз придется последовательно вычитать 5 из 7715, чтобы добраться до 0 и получить ответ? Таблица умножения не дает ответа на этот вопрос. Что же делать?
В этом случае нам опять поможет умножение на 0. Вы знаете, что 1 × 5 = 5, следовательно, 1000 × 5 = 5000. Это число уже достаточно близко к 7715, но остается еще 2715. Разделим это число на 5. Из таблицы умножения вы знаете, что 5 × 5 = 25, значит, 500 × 5 = 2500, и теперь остается только 215. Пойдем дальше. Поскольку 4 × 5 = 20, следовательно, 40 × 5 = 200.
У нас остается только 15. Это число легко делится на 5, и мы знаем, что ответ — это 3.
Вначале мы умножили 5 на 1000, затем на 500, затем на 40 и, наконец, на 3. Сложим все результаты и получим 1543. Поскольку 1543 × 5 = 7715, следовательно, 7715 : 5 = 1543, это и есть ответ, то есть частное.
Поделиться книгой: