数的范围扩大了,有了负数后的加减乘除运算,将遵循怎样的法则?


负负得正
漫长的数学发展过程中,人们对于简洁美的追求从未止步,当出现4个5相加时,通常把它写成4×5,某种意义上,乘法是特殊加法的简写。
负数出现后的乘法运算如何进行呢?
尤其那个名声在外的陷阱——“负负得正”!
这要追溯到两千多年,魏晋时期数学家刘徽在《九章算术注》中多处提及“正负术”。

这是一个以一根红色算筹表示正数、一根黑色算筹表示负数的加减运算法则。但刘徽提及的只有加减法,没有详细给出负数的乘除法则。 直到公元7世纪,印度开始使用负数,数学家波罗摩笈多在他的著作《波罗摩修正体系》中提及了“负负得正”,如(-3)×(-8)=24,但没有很好的进行解释。
波罗摩笈多
现在,让我们回到刘徽的算筹系统:
用一支红色算筹表示收入5元,用一根黑色算筹表示支出5元。

假设初始的财产情况是两根红色算筹,一根红色算筹,财产状况应该是2×5+(﹣5)=5(元).
情形一:如果增加4根红色算筹,那么财产的变化情况是增加了20元,有4×5=20(元);
情形二:如果增加4根黑色算筹,那么财产的变化情况是减少了20元,有4×(﹣5)=﹣20(元);
情形三:如果从中拿走4根黑色算筹,那么财产的变化情况是增加了20元.
因为拿走4根黑色算筹,“减少4根”对应“﹣4”,“一根黑色算筹”对应“﹣5”,结果财产增加了20元,有(﹣4)×(﹣5)=20(元),负负得正! 荀子在《富国》篇中提及的开源节流,这里“节流”指的就是减少不必要的开支,相当于增加收入,类似于“负负得正”,也是我们中华民族自古以来理财的基本原则。


乘法法则
两数相乘时,如果有一个因数是0,所得的积也是0.
例如(﹣4)×0=0,0×(﹣5)=0.
综合以上各种情况,从“符号”和“绝对值”两个方面进行总结,有如下乘法法则:
两数相乘,同号得正,异号得负,并把绝对值相乘;
任何数与0相乘,都得0.
同时,乘法的交换律、结合律和分配率仍然成立。
例如,4×(﹣7)=(﹣7)×4=﹣28
3×(﹣4)×(﹣5)=[3×(﹣4)]×(﹣5))=3×[(﹣4)×(﹣5)]=60
3×[(﹣4)+(﹣5)]=3×(﹣4)+3×(﹣5)=-27.
用字母表示乘法交换律、结合律和结合律,有:

适当使用运算律,可使运算简便。

队列游戏中的乘法
一次队列游戏中,有9名同学都面向老师,每次只能让任意得两名同学向后转(不论原来的方向如何),能否接过若干次后,使所有同学都背向老师站立?
通过试验,发觉都会有一名同学无法背向老师。

问题似乎与数学无关!
注意到每位同学站立只有两种可能,面向老师和背向老师,这是一对具有相反意义的量.
不妨把向后转看为一次运算或者改变一次正负号:将每位同学胸前贴上标有“+1”的号码,背后贴上标有“﹣1”的号码.

当所有同学都面向老师时,9个“+1”相乘是1,如果全部背向老师,9个“﹣1”相乘是﹣1.


即,每次“运算”乘以两个“﹣1”,因为(﹣1)×(﹣1)=1,改变不了乘积是“1”的结果.
所以,要使乘积变为“﹣1”是不可能的.
一个难题就这样被乘法运算别出心裁的解决了.

