Айзек Азимов - Числа: от арифметики до высшей математики

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.

А что, если нам надо 1/3 умножить на 4? Мы получим ответ 4/3, а что означает такое выражение? Дробь 4/3 может быть представлена в виде 1 + 1/3. или 1 1/ 3, или одна целая и одна треть.

В школе учеников обычно приучают к тому, чтобы выделять максимально возможную целую часть из дроби. То есть превращать 4/3 в 1 1/ 3, 27/5 в 5 2/ 5и так далее. Однако делать это преобразование не всегда необходимо. На самом деле арифметические действия с 4/3 и 27/5 производить удобнее, чем с 1 1/ 3и 5 2/ 5.

По существу, в большинстве случаев стремление выделить целую часть дроби вызвано только природным консерватизмом, а не соображениями целесообразности.

Дроби, меньшие 1, то есть дроби, у которых числитель меньше знаменателя, называют правильными дробями. И наоборот, дроби, у которых числитель больше знаменателя, называют неправильными, то есть даже название этих дробей имеет оттенок неодобрения.

Тем не менее не следует забывать, что действия со всеми дробями производят по одним и тем же правилам. И с математической точки зрения и те и другие дроби равным образом правильные.

Рассмотрим дробь 6/3. Ее величина равна 2, так как 6/3 = 6 : 3 = 2.

А что произойдет, если числитель и знаменатель умножить на 2? 6/3 × 2 = 12/6. Очевидно, величина дроби не изменилась, так как 12/6 также равно 2. Можно умножить числитель и знаменатель на 3 и получить 18/9, или на 27 и получить 162/81, или на 101 и получить 606/303. В каждом из этих случаев величина дроби, которую мы получаем, разделив числитель на знаменатель, равна 2. Это означает, что величина дроби не изменилась.