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当位置就是算法:乘法与比例法则

上一篇文章我们看到,符号的位置是公式意义的一部分:括号、指数和分数线显示零件如何组合。有些完整的计算方法把这个想法推到了极致:每个数写在什么位置,本身就是算法。知道把数放在哪里的人,就已经会做这道题了。本站早期的文章收集了三个例子,分属三个不同的时代。 埃及人:靠加倍做乘法 三千五百多年前,埃及书吏不用乘法表就能做乘法。他们用两栏:左栏是从 $1$ 开始的 $2$ 的幂;右栏是其中一个因数,每次加倍。计算 $21\times37$: 1 的加倍 37 的加倍 ✓ $1$ $37$ $2$ $74$ ✓ $4$ $148$ $8$ $296$ ✓ $16$ $592$ 在左栏中,标出加起来等于 $21$ 的那几行:$16+4+1=21$。在右栏中,只把标出的行相加:$592+148+37=777$。完成:$21\times37=777$。 这看起来像魔术,本站早期的文章问道:“这是神秘主义吗?”不是。左栏的标记把 $21$ 写成了二进制: $$21=1\cdot2^4+0\cdot2^3+1\cdot2^2+0\cdot2^1+1\cdot2^0=10101_2,$$而计算不过是分配律:$21\times37=(16+4+1)\times37$。埃及书吏做二进制算术,比莱布尼茨写到它早了三千多年。他们的表就是一种记号:打了 ✓ 的行和没打 ✓ 的行,就是 1 和 0。 帕乔利:在窗格里做乘法 1494 年,方济各会修士卢卡·帕乔利在威尼斯出版了《算术、几何、比与比例概要》,这是一部收录商人需要知道的一切的百科全书。在各种乘法中,他教了一种在被对角线切开的格子里做的方法,并解释了它的名字: 我们所说的 gelosia,是指那种通常装在有女眷居住的房屋窗户上的格栅。 — 卢卡·帕乔利,《算术概要》(1494) gelosia 是一种木制格窗,让人能看到街上,自己却不被看见。这种算法的版面就像那种格栅: 用格子乘法计算 23 × 12。每一格写上方数字与右侧数字之积;沿对角线相加,读出 0、2、7、6。根据本站早期文章为本书绘制的教学示意图。 把 $23$ 的各位写在上方,$12$ 的各位写在右侧。每一格填入相交的两个数字之积,十位写在对角线上方,个位写在下方:$1\times2=02$,$1\times3=03$,$2\times2=04$,$2\times3=06$。然后沿每一条对角带从下往上相加:$6$;$4+0+3=7$;$0+0+2=2$;$0$。结果是 $0276$,也就是 $23\times12=276$。 秘密又一次在于位置。格子里的对角带就是数位:第一条装个位,第二条装十位,第三条装百位。格子自己完成了学校算法中用“进位”和“每行左移一位”所做的事。本站早期的文章还用一张数位表展示了同一道题:

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比例

第一个比例概念出现在格拉萨的尼科马科斯的著作中,该著作由两本书组成,具有毕达哥拉斯学说。比例的概念与比较的艺术有关,历史上我们已经在以下领域看到过这些概念: 古埃及, 公元前六世纪到公元前五世纪之间的希腊(毕达哥拉斯学派)克罗托纳。 欧几里得几何原理,大约公元前 300 古埃及 毕达哥拉斯学派 欧几里得学派 在欧几里得的《几何原本》中,他将比率定义为两个同类量之间的大小关系。这个概念对于后世文明来说似乎有些混乱。 第一个证明欧几里得定义合理性的数学家是 Isaac Barrow(大约 1666)。今天我们知道比例是现代数学的基础。 比例 在上一篇文章中,我们讨论了等值分数。她是比例的一个例子。例如,当我们有 $a~.~d = b~.~c$ 时,我们从中获得有理数: $$\dfrac{a}{b} = \frac{b}{d}$$为了说明比例的应用,我们可以提到屏幕、显示器、智能电视等的分辨率。 作为一个数值示例,我们有: $$\dfrac{1}{2} = \dfrac{4}{8} = \dfrac{ {\color{red}{4} } }{ {\color{red}{4} } } ~.~ \dfrac{1}{2}$$用正式的术语来说,我们可以将这个例子定义为: 定义: 令比例为 $\dfrac{a}{b} = \dfrac{c}{d}$ 并且 $m,$ $m_\star$ 和 $n$ 属于自然数 $\mathbb{N}$, 使用 $a = m~.~\dfrac{b}{n}$ 和 $c = m_\star~.~\dfrac{d}{n}$。 然后$m = m_\star.$ 比例比率 通过到目前为止的定义,我们可以引入比例比的概念。 **定义:**当一个比率等于另一个比率乘以常数 $k$(自然数、整数或有理数)时,两个量成比例。 值得记住的是,由于我们没有定义任何其他数字集,因此我们只使用自然数、整数和有理数。 准确地说,前面定义中的常数$k$称为比例比。在处理比例时,我们必须牢记大小的概念。在高中的物理学中,量值的概念是研究物理学中任何概念的基础。这样,如果我们学会很好地使用比例,70% 到 80% 的物理和化学测试就可以作为量级分析的概念来解决(参见量纲分析)。 除了在物理和化学中的应用外,这些概念还用于数学本身,我们称之为“三法则”。这个概念将在下一篇文章中解释。 应用 - 书籍:计算的人 为了加深概念,我们将解决 Malba Tahan 的书中提到的一个问题,题为“计算的人”页面 21。