Помоги проекту - поделись книгой:
Задача деления на числа, большие 10, значительно сложнее, поскольку в таблице умножения максимальный множитель равен 10. Но принцип остается тем же самым, хотя нам приходится сначала «угадывать» ответ, а потом проверять, насколько он правильный.
(Тем не менее наши школьники сталкиваются с гораздо более простой задачей, чем математики древности, ведь у нас — арабские цифры. В те времена, когда арабских цифр еще не применяли, деление больших чисел, или «длинное деление», было настоящим искусством, доступным лишь очень опытным математикам.)
В начале этой главы я уже рассказал вам, как складывать и вычитать отрицательные числа.
Теперь давайте разберемся с умножением и делением.
Предположим, нам нужно умножить +3 на -4. Как это сделать?
Давайте рассмотрим такой случай. Три человека залезли в долги, и у каждого по 4 доллара долга. Чему равен общий долг? Для того чтобы его найти, надо сложить все три долга: 4 доллара + 4 доллара + 4 доллара = 12 долларов. Мы с вами решили, что сложение трех чисел 4 обозначается как 3 × 4. Поскольку в данном случае мы говорим о долге, перед 4 стоит знак «-». Мы знаем, что общий долг равен 12 долларам, так что теперь наша задача имеет вид 3 × (-4) = -12.
Мы получим тот же результат, если по условию задачи каждый из четырех человек имеет долг по 3 доллара. Другими словами, (+4) × (-3) = -12. А поскольку порядок сомножителей значения не имеет, получаем (-4) × (+3) = -12 и (+4) × (-3) = -12.
Давайте обобщим результаты. При перемножении одного положительного и одного отрицательного числа результат всегда будет отрицательным числом. Численная величина ответа будет той же самой, как и в случае положительных чисел. Произведение (+4) × (+3) = +12. Присутствие знака «-» влияет только на знак, но не влияет на численную величину.
А как перемножить два отрицательных числа?
К сожалению, на эту тему очень трудно придумать подходящий пример из жизни. Легко себе представить долг в сумме 3 или 4 доллара, но совершенно невозможно вообразить -4 или -3 человека, которые залезли в долги.
Пожалуй, мы пойдем другим путем. В умножении при изменении знака одного из множителей меняется знак произведения. Если мы меняем знаки у обоих множителей, мы должны дважды сменить знак произведения, сначала с положительного на отрицательный, а затем наоборот, с отрицательного на положительный, то есть у произведения будет первоначальный знак.
Следовательно, вполне логично, хотя немного странно, что (-3) × (-4) = +12.
Положение знака при умножении изменяется таким образом:
положительное число × положительное число = положительное число;
отрицательное число × положительное число = отрицательное число;
положительное число × отрицательное число = отрицательное число;
отрицательное число × отрицательное число = положительное число.
Иначе говоря, перемножая два числа с одинаковыми знаками, мы получаем положительное число. Перемножая два числа с разными знаками, мы получаем отрицательное число.
Такое же правило справедливо и для действия противоположного умножению — для деления.
(+12) : (+3) = +4;
(+12) : (-3) = -4;
(-12) : (+3) = -4;
(-12) : (-3) = +4.
Вы легко можете в этом убедиться, проведя обратные операции умножения. Если в каждом из примеров, приведенных выше, вы умножите частное на делитель, то получите делимое, и убедитесь, что оно имеет тот же самый знак, например (-3) × (-4) = (+12).
Поскольку мы определили деление как последовательное многократное вычитание, в результате которого получают ноль, оказывается, что оно не всегда возможно. Попробуем разделить 7 на 2.
В результате повторного вычитания мы получим 7 - 2 - 2 - 2 = 1, и здесь нам придется остановиться. Если мы вычтем еще одну двойку, мы окажемся в области отрицательных чисел. Даже если мы признаем существование отрицательных чисел, а древние о них не знали, мы не можем проводить вычитание в области отрицательных чисел. Предположим, мы делаем еще несколько шагов: 1 - 2 = -1, следующий шаг: -1 - 2 = -3, затем -3 - 2 = -5, и так до бесконечности. Где же нам остановиться? Похоже, наша система дала сбой.
Попробуем пойти другим путем. Вспомним о таблице умножения. Конечно, мы не найдем там числа, которое при перемножении на 2 даст 7, но 2 × 3 = 6, а 2 × 4 = 8.
Следовательно, если мы определяем деление как последовательное вычитание, то в каких-то случаях деление возможно, а в каких-то нет.
Древних греков изумляло это свойство чисел, и они дали ему своеобразное толкование.
Какие числа делятся на 2, а какие не делятся? 1 не делится, 2 делится, 3 не делится, 4 делится, 5 не делится, 6 делится…
Еще в древние времена числа разделили на те, которые делятся на 2, и на те, которые на 2 не делятся. Математики Древней Греции считали, что числа заключают в себе мистический смысл. По их представлениям, те числа, которые делятся на 2, имеют женское начало и являются несчастливыми. Те числа, которые не делятся на 2, греки считали мужскими и счастливыми. (Учтите, греческие математики были исключительно мужчинами и, конечно, все счастье присвоили себе.)
В обыденной жизни делимость числа на 2 имела большое значение, поскольку часто приходилось делить определенное количество предметов между двумя людьми. Делить по справедливости — это лучший способ избежать ссоры.
Самый простой способ справедливого дележа в те далекие времена, когда люди плохо разбирались в арифметике, — это разложить предметы в две кучки так, чтобы каждому предмету в одной стопке соответствовал один предмет в другой. Представим себе эти предметы в виде фишек, которые можно складывать в столбики (как показано на рисунке). Если общее число предметов делится на 2, то мы получим два столбика и в каждом — одинаковое количество фишек. Если вначале у нас было 16 фишек, то мы получим два столбика одинаковой высоты по 8 фишек, поскольку число 16 делится на 2, то есть является четным числом.
Если же вначале у нас было 17 фишек, то мы получим два столбика неравной высоты, в одном будет 8 фишек, а в другом на одну фишку больше, поскольку число 17 не делится на 2, то есть является нечетным числом. Делимость или неделимость на другие числа также подчиняется определенным зависимостям, но гораздо более сложным, чем разделение чет — нечет.
В области деления было сделано еще одно открытие: некоторые числа делятся нацело более чем на одно меньшее число. Например, 60 делится нацело на 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20 и 30. Все эти числа называются делителями числа 60. Следовательно, у числа 60 есть десять различных множителей.
Кроме того, есть еще два множителя, о которых я говорил вам раньше. Это единица и само число 60. В конце концов, 60 : 60 = 1, поскольку любое число, поделенное на самое себя, дает единицу. Другой множитель — это 1. Действительно, 60 : 1 = 60. Любое число, поделенное на 1, остается неизменным, то есть 1 — это универсальный множитель.
Поскольку каждое число делится без остатка на единицу и на себя самое, греки, которые с удовольствием решали всякие головоломки, связанные с множителями, просто отбрасывали эти два множителя. Что же может быть в них интересного, если такие множители есть у всех чисел? (Кроме того, теперь мы можем сказать, что у каждого числа есть отрицательные множители. Например, у числа 60 — это -2, -3, -4, -5, -6, -10, -12, -15, -20 и -30. Но грекам отрицательные числа не были известны, и, кроме того, эти отрицательные сомножители фактически не дают нам никакой новой информации, поэтому эти сомножители мы также не будем рассматривать.)
Если у числа 60 10 сомножителей, то его соседям по числовой оси не так повезло. Например, у числа 58 только 2 сомножителя, 2 и 29, у числа 62 — 2 и 31. Независимо от того, сколько сомножителей имеет данное число, если такие сомножители существуют, такое число называется составным, поскольку его можно составить из других, меньших чисел, перемноженных между собой. Так, число 58 — это 2 × 29, а число 62 — это 2 × 31.
Число 60 более сложное, поскольку у него несколько сомножителей. Его можно представить как 2 × 30, но и число 30 является составным, и его можно представить как 2 × 15, причем 15 также составное число, равное 3 × 5. Таким образом, мы имеем 60 = 2 × 2 × 3 × 5.
Мы не делали никаких попыток разбить на множители числа 2, 3 и 5. Да это и невозможно. Таким же числом, у которого нет других сомножителей, кроме единицы и себя самого, является 29 и 31. Другими словами, мы с вами убедились, что существуют числа, которые невозможно разделить без остатка на другие сомножители, кроме единицы и самого числа.
Числа, которые невозможно разбить на сомножители, называются простыми числами, в отличие от составных чисел, которые на множители разбить можно. Люди часто видят в числах какой-то мистический смысл, и с этой точки зрения могло бы показаться, что именно простые числа появились первыми, ведь любые составные числа получаются при перемножении простых чисел. Скажем, после того, как появились числа 2, 3 и 5, можно составить число 60, равное 2 × 2 × 3 × 5.
Может показаться, что если мы пойдем вверх по числовой оси, то возможность найти следующее простое число уменьшается и в конце концов какое-то простое число станет самым большим возможным простым числом. Но это не соответствует действительности. Еще 2200 лет тому назад греческий математик Эвклид доказал, что не существует такого сколь угодно большого простого числа, для которого нельзя было бы найти еще большее. То есть самого большого простого числа в принципе не существует.
Как я уже говорил, греки любили разгадывать разные числовые головоломки и выискивать закономерности. Например, они вычисляли суммы сомножителей, на этот раз включая единицу, для разных чисел и смотрели, что же получается. Они выяснили, что суммы сомножителей могут быть меньше, Или больше самого числа, или равны самому числу. Например, сумма сомножителей 10 (1, 2 и 5) равна только 8. Число 10 называется неполным числом. Сумма сомножителей числа 12 (1, 2, 3, 4 и 6) равна 16, то есть она больше самого числа. Такие числа, как 12, называются избыточными.
Сумма сомножителей числа 6 (1, 2 и 3) равна самому числу, то же самое относится и к числу 28 (1, 2, 4, и 7). Такие числа греки называли совершенными.
Есть еще одна забавная закономерность. Сумма сомножителей числа 220 (1, 2, 4, 5, 10, 11, 20, 22, 44, 55 и 110) равна 284, и в то же время сумма сомножителей числа 284 (1, 2, 4, 71, 142) равна 220. Такие числа греки называли содружественными числами.
Разделение чисел на простые, совершенные, содружественные и так далее не имеет большой практической ценности, но в течение тысячелетий числовые закономерности вызывали восторг и любопытство математиков. Интерес к ним не угас и в наши дни.
До сих пор мы с вами имели дело с обычными числами, при помощи которых можно пересчитывать различные объекты: 1, 2, 3… Очень часто нам и не требуются другие числа.
Например, подобным числом может быть определено количество мальчиков в классной комнате. В комнате может быть 4 мальчика, 5 мальчиков или другое число мальчиков. В любом случае это будет вполне определенное число. Но вы никак не можете заявить: «Ну, я все тщательно подсчитал, и выяснилось, что в комнате больше чем 4 мальчика, но меньше чем 5. Я думаю, их какое-то промежуточное число, между 4 и 5».
Если вы считаете какие-то объекты, то между 4 и 5 для вас нет никаких других чисел. В комнате либо 4 мальчика, либо 5, но нет никакого промежуточного числа. Если в комнату, где уже находится 5 мальчиков, войдет еще 1, то в комнате окажется б мальчиков, причем ровно 6, а не около б или чуточку больше 6.
Однако если вы поинтересуетесь, сколько времени мальчики посвятили занятиям, вы можете получить приблизительный ответ: «Они занимались больше одного часа, я не уверен, но, по-моему, меньше двух часов».
В данном случае ответ не лишен смысла, поскольку существует отрезок времени, больший одного часа, но меньший двух часов. Время — это то, что измеряют, а не пересчитывают.
Пересчет и измерение — это разные процессы. При пересчете вы имеете дело с отдельными, или дискретными объектами. Те числа, которые мы с вами изучали в начале книжки, также являются отдельными, или дискретными, и они хорошо соответствуют дискретным объектам. При рассмотрении дискретных объектов нам и не нужны никакие другие числа.
Если же нам приходится измерять что- либо, что не состоит из отдельных объектов, задача сразу же усложняется. Теперь мы имеем дело с протяженностью, или с континуумом, то есть с продолжительностью времени какого-то процесса или длиной какой-нибудь линии.
Обычные дискретные числа не соответствуют протяженным величинам, и их нельзя использовать для измерения таких величин, не рискуя допустить неточность.
Для того чтобы избежать такого несоответствия, следует вставить в ряд дискретных чисел какие-то промежуточные числа. Когда мы это сделаем, числа 1, 2, 3, 4… становятся только малой частью бесконечной системы, которая соответствует таким понятиям, как время, длина, или любому другому континууму.
Со следующей главы мы начнем изучать такие числа, выясним их происхождение и освоим правила расчетов при помощи таких чисел.
Глава 4
РАЗБИТЫЕ ЧИСЛА
Человечество не могло согласиться с ограничениями в делении. Предположим, надо разделить два яблока между четырьмя детьми. Совершенно бесполезно объяснять им, что такое деление невозможно, поскольку нет такого числа, которое после умножения на 4 даст 2. И ни одна мать так не сделает. Она попросту разрежет каждое из яблок пополам и даст каждому из детей половину (или приготовит из этих яблок пюре).
Следуя этой системе, человечество уже давно научилось разбивать основные единицы измерения на более мелкие и присваивать этим новым единицам собственные названия. Например, в американской системе измерения объема существует единица, называемая кварта, если кварту разделить пополам, получим две новые единицы, пинты. Если у вас есть две кварты пива, на которое претендуют четыре человека, то каждый получит по одной пинте.
Можно делить единицы и на числа, большие 2. Например, бушель (еще одна американская мера объема) можно разделить на 4 пека, а пек — на 8 кварт. Один фунт можно разделить на 16 унций, а 1 кварту на 32 жидкие унции. Все эти числа являются результатом деления какой-то величины на две части, затем каждую из этих частей снова делили пополам и так далее.
Можно, например, разделить 1 кварту между двумя людьми, если каждому дать по 16 жидких унций (а это как раз 1 пинта). А если надо разделить одну кварту между четырьмя людьми, то каждому можно дать по 8 жидких унций (то есть по полпинты). Если же у нас 8 человек, то каждому достанется по 4 жидкие унции (или по 1 джиллу).
Все это замечательно, но что делать, если надо разделить что-то между тремя? Мы не можем разделить кварту, в которую входят 32 унции, на три, поскольку 32 не делится на 3. Кварту удобно делить между 16 или 32.
Следовательно, было бы полезно выбрать какую-нибудь единицу, которая содержала бы максимальное количество сомножителей. Одним из таких чисел является 12. В одном футе 12 дюймов, 12 тройских унций содержится в тройском фунте, а 12 — это, как известно, дюжина.
Обратите внимание на дюжину, это очень полезная единица. Если у вас есть дюжина яблок, вы можете поделить их на две группы по 6, на 3 группы по 4, на 4 группы по 3, на 6 групп по 2, и на 12 групп по одному. Очень важно, что 12 делится не только на 2 и 4, но также и на 3.
Дюжины раньше часто использовали в торговле, ведь дюжину легко разбить на несколько более мелких частей различными путями. Существовала также единица, которая являлась дюжиной дюжин (это гросс), которая равнялась 12 × 12 или 144. У числа 144 много сомножителей. Это 1, 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12, 16, 18, 24, 36, 48 и 72.
Такая система удобна и практична, ее легко применять в повседневной жизни, и кое- кто даже жалеет о том, что в основе нашей системы исчисления лежит 10, а не 12. У числа 190 есть только два множителя, это 2 и 5. Десять не делится ни на 3, ни на 4. Единственная причина, по которой в основе системы оказалось число 10, — это то, что у нас по 5 пальцев на каждой руке. А вот если бы их было бы по 6…
У числа 10 есть одно преимущество перед 12. Число 10 делится на 5, а 12 — нет. Древние вавилоняне пытались соединить в одном числе все достоинства чисел 10 и 12. Такое число должно делиться не только на 2, 3, и 4, но и на 5. Наименьшим таким числом является 60. Это число используется и в астрономии. Год составляет 365 дней и несколько часов. Год — это то время, за которое Солнце совершает свой (кажущийся) круговой путь по небу относительно неподвижных звезд. Если полный круг разделить на величину пути, которое Солнце проходит за день (то есть на «путь-день»). Мы получим 365 долей круга.
У вавилонян год равнялся 360 дням (либо они неправильно вычислили продолжительность года, либо просто округлили 365 до 360 для удобства вычислений). С этим числом удобно работать, поскольку 360 — это 60 × 60. Поэтому они делили небесную сферу и другие круги на 360 равных частей, которые мы в наши дни называем градусами. Затем каждый градус они делили на 60 частей, которые мы называем минутами, а каждую минуту еще на 60 частей, на 60 секунд.
Мы до сих пор придерживаемся вавилонской системы. Более того, поскольку время измеряется по движению крупных небесных тел на небосклоне, наш час разделен на 60 минут, а минута — на 60 секунд.
При подсчете времени мы находим также следы системы, основанной на 12. День и ночь разделены на 12 часов. В древности, до того как были изобретены часы, длина часа менялась в зависимости от времени года. Зимой дневные часы были короче, чем летом, а ночные длиннее. В наши дни продолжительность часа принята постоянной, поэтому летом светлое время длится дольше, чем зимой, ночное, наоборот, — короче.
Тем не менее на циферблате наших часов только 12 чисел, и, следовательно, мы определяем время между 1 часом ночи и 1 часом дня. (В армии принято считать время после 12 как 13, 14 и так далее часов, но обычно в быту мы не используем таких обозначений.)
То, что обычный человек сделал с обычными единицами измерения, смогут сделать математики со своими абстрактными числами.
Почему бы не разделить единицу на две равные части, на три, на четыре и так далее? Для того чтобы такое деление не было бесполезным, надо присвоить этим частям единицы собственные названия. Затем надо найти удобный символ для этих частей единицы. И наконец, надо разработать систему, которая позволит оперировать с этими частями и производить обычные арифметические операции.
Далее, если с долями чисел можно манипулировать так же, как с обычными числами, это означает, что части чисел можно рассматривать как обычные числа как в практической, так и в теоретической сфере применения.
Названия для частей чисел пришли из обыденной речи. Две равные части называют половинами. Части, которые получаются при делении числа на какое-то количество долей, называются в соответствии с количеством этих долей, то есть третьи, четвертые, пятые и так далее.
Половина — это то, что получается при делении единицы на 2 части. Другими словами, это 1 : 2. При таком делении мы не получим обычного целого числа, и бессмысленно его искать. Нужно просто выбрать обозначение для данной арифметической операции. Таким обозначением стало у ½. Его можно прочесть как одна вторая, или половина. Если мы делим 1 на 3, то получаем соответственно одну третью часть, или одну треть. Если делим на 5, то получаем одну пятую, и так далее. Мы не пытаемся решить эти примеры, 1/2, 1/3, 1/5 — это просто обозначения.
Когда мы говорим, что 1 : 3 = 1/3, мы просто утверждаем, что «единица, деленная на 3, равна единице, деленной на 3».
Это звучит обескураживающе. Вы можете спросить: а что такое эта единица, которую мы делим на 3? Ответ совсем прост: а какая разница, что это. Если мы можем манипулировать с величиной 1/3 как с обычным числом, то этого вполне достаточно.
Эти доли единицы назвали дробями (от слова «дробить»). В отличие от дробей те числа, с которыми мы имели дело раньше, называются целыми.
Теперь рассмотрим, какие действия можно осуществлять с дробями. Надо выяснить, как складывать и вычитать дроби. Предположим, нам надо сложить 1/3 и 1/3. На словах это очень легко объяснить. Одна треть и одна треть вместе дадут две трети (так же как одно яблоко плюс одно яблоко равно двум яблокам).
Затем надо решить, как записать это действие при помощи арифметических символов. Поскольку одна треть — это 1/3, логично предположить, что две трети — это 2/3. Но что означает эта величина? Как мы разделим 2 на 3? Предположим, у нас два куска пирога, а детей — трое. Тогда каждый кусок пирога делим на 3, получаем 6 маленьких кусочков. Теперь каждому ребенку можно дать по два кусочка. Таким образом, каждый ребенок получает по 2/3.
Рассуждая таким образом, мы можем показать, что результат любого деления может быть представлен в виде дроби. Сорок три пирога, разделенные между семидесятью тремя людьми, дадут результат 43/73, то есть каждый человек получит по 43/73 части пирога.
Вернемся к сложению и умножению. Мы показали, чему равно 1/3 +1/3, также можно показать, что 1/5 + 1/5 + 1/5 = 3/5, а 3/5 - 2/5 = 1/5.
Мы вывели общее правило. При сложении и вычитании дробей с одинаковыми знаменателями (знаменателем называется та часть дроби, которая записана под чертой) необходимо вычесть числитель одной дроби из числителя другой.
То же правило распространяется на умножение дроби на целое число. Умножается только числитель дроби. Произведение 1/7 на 6 равно 6/7; 18/23, деленное на 9, равно 2/23. Точно так же, как с яблоками: одно яблоко, умноженное на 6, — это 6 яблок, а 18 яблок, поделенных на 9, — это 2 яблока.
В процессе сложения может оказаться, что числитель достигнет величины знаменателя. Например, 1/3 + 1/3 + 1/3= 3/3, или 1/3 × 3. Чему равно 3/3?
Очевидно, если вы разделите единицу на три части, а потом сложите снова все эти три части, вы получите первоначальное число, то есть единицу. Другими словами, 3/3 = 1, и это выражение соответствует нашему определению дроби, то есть 3 : 3 = 1.
Точно так же 2/2, 4/4, 27/27, 109476/109476 равны единице.
Поделиться книгой: