神奇的乘法(一)

乘法是所有运算中最神奇的一种运算。

世界上有很多种乘法。

第一种乘法:便捷的加法

乘法,最早诞生的时候,是因为加法。太多相同的数字相加,为了简便一些,于是,发明了乘法这种运算。

也就是说,最早的乘法是为了计数用的。

举例来说:
有4堆果子,每堆5个,求一共有几个果子?
解答方法是:


读作“五乘以四” 或“四乘五”

最早,我小学一年级的老师就反复强调,这个式子读“五乘以四”,中间的乘号要读作“乘以”,表示次序,5在前面,4在后面,不可交换。

假如把乘号读做“乘”,那么,上面的式子应该倒过来读,读做“四乘五”。

为什么要求那么严格呢?
因为 5×4 表示 四个五相加;
而 4×5 表示 五个四相加。
尽管结果是相同的,但含义不一样。所以,不能随便交换。

后来乘法可以用来计量。
例如:茶叶蛋每个 1.5元,买6个茶叶蛋需要多少钱?
计算方法是:

1.5元/个 × 6个 = 9元

最早的时候,计算量,要求带单位。“每”字,被翻译成了一条分数线,也就是除法。前面除以“个”字,后面有乘以“个”字,于是,结果里就没有“个”字,只有“元”。

乘法算式中,前面的数字是被乘数,后面的是乘数。
到目前为止,乘数一定会是整数。

因为被乘数用来计量,乘数用来计数。

数和量的区别就是:
能计数的东西,可以用“个”做单位,在英文里是“可数”的,要用many来形容;
计量的东西,不方便用“个”做单位,在英文里是“不可数”的,要用much来形容。

计数的东西,一般用整数,1,2,3等等,一个一个数下去;
计量的东西,可以用小数或者分数,1.28公升之类。

所以,最早的乘法,乘数一定是整数。因为是用来计数的。作为加法的简便算法,乘数用来计数:有多少个相同的数量相加。

结论:最早的时候

(1)乘法是不可交换次序的

(2)被乘数可以是小数,也可以是整数;但乘数必须是整数

当然,毫无悬念,很多时候,乘法满足交换律。

第二种乘法:蕴藏着除法的乘法

有了分数,有了比例以后,人们过很久,才认识到,分数可以和小数转化,分数也可以和除法转化。
举例来说:
一张饼80元,那么半张就是40元。
最早的算法是 80÷2 = 40
后来发现,0.5×80 = 80 ×0.5 =40
于是,除以2同乘以0.5的效果一样。
于是,人们就广泛的使用交换律,乘数和被乘数的区分也不严格了,乘法可以表示除法。
“除以二”同“乘以二分之一”的意义一样。

这个时候,整数和分数都可以作为乘数。
乘法运算事实上进行了一次扩展,不再是单纯的计数加法,而是包含了除法(以及分数、小数、比例)在其中。

第三种乘法:负数的乘法

负数的乘法,在负数出现以前,是没有定义的。
出现负数以后,也只能被乘数是负数。
比如赊帐,每次赊帐 300,赊帐3次,可以写乘
(-300)×3 = -900
只有被乘数是负数,乘数必须是正数。

即使用交换律,参与运算的两个数字,必然还有一个是正的。

那么,负数乘以负数究竟有什么意义呢?“负负得正”的规则又从何而来呢?

这个最早的时候,在尝试了千百次以后,人们发现,“负”可以表示方向。假如规定,往东走是“正”,那么,往西走就是“负”。

而且,“负”还可以表示

改变方向

乘以-1,就改变了方向。

把东改成西,再改一次,又回来了。于是,直觉上就规定“负数乘以负数”,结果是一个正数。这个规定是公理性质的,没有理由,也没有原因。但很好用。

“负负得正”是硬性的规定,是所有人认可的。没有理由,没有原因。

正是这种规定,导致另一种数的难产,到后文再讨论。

第四种乘法:无理数的乘法

为何要把这些区分的如此严格?

因为,乘法本质上可以看做一个加工厂,把两个数字加工成一个数字。

肉类加工厂一般不加工蔬菜,加工金属的厂家一般也不加工木料。

类比的,数,也有很多种类。无理数就是其中很独特的一种,有理数的乘法怎能随随便便就开工了呢?

最早的无理数就是正方形的对角线长度。可以用尺子近似的测量,但无法用分数来精确表示。

这样一批无理数,来自勾股定理导致的开方运算。
乘法导致了乘方,乘方运算导致了开方运算,所以这样一批无理数,天生就适合作为乘数。因为,乘方运算是计数乘法运算的。


从几何上讲,这个数字是由于勾股定理制造出来的。

从代数上讲:
在出现负数以后,加法和减法统一了;
在出现分数以后,乘法和除法统一了;
在出现分数幂以后,乘方和开方也统一了。

可以看出来,乘法处于运算的核心地位,承上启下。

另外一批无理数,太神秘,如圆周率和自然对数底之类,暂且不讨论。

第五种乘法:阶乘以及幂

幂运算的次数,最早都只能是整数。同被乘数的道理一样,是计数用的。表示有多少个一样的数字相乘。

后来发现,分数作为幂指数正好表示开方;负数作为幂指数正好表示倒数。

而这些,幂指数都是有理数。

在指数函数出现以后,无理数才可能出现在指数的位置上。无理数幂指数作为有理数幂指数的极限状态而存在。

阶乘,是像上楼梯一样的乘法:



表示从最大的一个数,往下乘,乘到1为止。
阶乘的增长速度非常快。

按照这个演示,参与阶乘的数字,总应该是整数了吧。

但是,事实上,并非如此。

因为阶乘也被扩展了,成为欧拉的 Γ函数


在自然数n作为自变量的情况下,Γ函数产生n-1的阶乘。

把阶乘函数的点画在坐标系上,用光滑的曲线连起来,这曲线的函数就是Γ函数了。欧拉完成阶乘的插值,所以Γ函数诞生了。

因此,直观上看,Γ函数表示的也是一种乘法,与阶乘类似的乘法。

从定义上看,明显有:



其中,z=1,2,3...
欧拉通过解这个方程,完成了对Gamma函数的插值。



对于所有x>0的实数,都成立。

Gamma函数意味着,阶乘,这样一种独特的乘法,能够操作任意的实数。事实上,同普通乘法一样,最终扩展到了复数。

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