Вычитание
Вычита́ние (убавление) — одна из вспомогательных бинарных математических операций (арифметических действий) двух аргументов (уменьшаемого и вычитаемого), результатом которой является новое число (разность)[1], получаемое уменьшением значения первого аргумента на значение второго аргумента. На письме обычно обозначается с помощью знака «минус»: . Вычитание — операция обратная сложению.
В общем виде можно записать: , где и . То есть каждой паре элементов из множества ставится в соответствие элемент , называемый разностью и .
Вычитание возможно только, если оба аргумента принадлежат одному множеству элементов (имеют одинаковый тип).
При наличии отрицательных чисел, вычитание удобно рассматривать и определять как разновидность сложения — сложение с отрицательным числом[2]. К примеру, можно рассматривать как сложение: .
На множестве вещественных чисел область значений функции сложения графически имеет вид плоскости проходящей через начало координат и наклонённой к осям на 45° угловых градусов.
У вычитания есть несколько важных свойств, например для :
- Антикоммутативность:
- Неассоциативность:
- Дистрибутивность:
- Вычитание (нулевого элемента) даёт число равное исходному:
В качестве примера, на картинке справа запись обозначает пять яблок вычесть два яблока, что в результате даёт три яблока. Заметим, что нельзя вычесть например из 5 яблок 2 груши. Помимо счёта яблок, вычитание также может представлять разность других физических и абстрактных величин, таких как: отрицательные числа, дробные числа, векторы, функции, и другие.
Формы записи и терминология
[править | править код]Вычитание записывается с использованием символа «минус»: «» между аргументами, такая форма записи называется инфиксной нотацией. В данном контексте символ «минус» является бинарным оператором. Результат записывается с использованием знака равенства «», например:
- ;
- («шесть минус три равно три») ;
- («шестьдесят четыре минус тридцать пять равно двадцать девять») .
На письме символ «минус» очень похож на другие письменные символы «дефис», «тире» и другие. Следует внимательнее разбирать выражение, чтобы не возникло ошибочного истолкования символа.
Свойства
[править | править код]Операция вычитание на числовых множествах имеет следующие основные свойства:
- Вычитание антикоммутативно — от перемены мест аргументов разность изменяется:
- Вычитание антиассоциативно — при последовательном выполнении вычитания трёх или более чисел последовательность выполнения операций имеет значение, результат изменится:
- Неассоциативность:
- Вычитание дистрибутивно, это — свойство согласованности двух бинарных операций, определённых на одном и том же множестве, также известно, как распределительный закон[4] .
- Относительно вычитания в множестве существует единственный нейтральный элемент, вычитание из числа нулевого (или нейтрального элемента) даёт число равное исходному:
- Вычитание нуля идемпотентно — повторное применение операции к объекту даёт тот же результат, что и одинарное:
- Вычитание противоположного элемента даёт удвоенное число:
Результат вычитания не всегда является определённым для множества натуральных чисел : чтобы получить натуральное число в результате вычитания, уменьшаемое должно быть больше вычитаемого. Невозможно в рамках натуральных чисел вычесть из меньшего числа большее.
Операция вычитания чисел определённых на множествах даёт число (разность) принадлежащее этому же множеству, следовательно операция вычитание относится к замкнутым операциям (операциям, не выводящим результат из данного множества чисел), то есть множества чисел образуют кольца относительно операции вычитания.
Выполнение вычитания
[править | править код]Операцию вычитания можно представить, как некий «чёрный ящик» с уменьшаемым и вычитаемым на входе и одним выходом — разностью:
При практическом решении задачи вычитания двух чисел необходимо свести её к последовательности более простых операций: «простое вычитание», заём, сравнение и др. Для этого разработаны различные методы вычитания, например для чисел, дробей, векторов и др. На множестве натуральных чисел в настоящее время используется алгоритм поразрядного вычитания. При этом следует рассматривать вычитание как процедуру, в отличие от операции.
Как видим, процедура достаточно сложная, состоит из относительно большого числа шагов и при вычитании больших чисел может занять продолжительное время.
«Простое вычитание» — в данном контексте обозначает операцию вычитания чисел меньше двадцати, которая может быть легко сведена к декрементированию. Является гипероператором декрементирования:
где: — последовательность операций инкрементирования, выполненная раз;
— последовательность операция декрементирования, выполненная раз.
Чтобы упростить и ускорить процесс вычитания используют табличный метод «простого вычитания», для этого заранее вычисляют все комбинации разностей чисел от 18 до 0 и берут готовый результат из этой таблицы [5]:
- | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||||||
1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||||||
2 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||||||
3 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||||||
4 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||||||
5 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||||||
6 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||||||
7 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||||||
8 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||||||
9 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Данная процедура применима к вычитанию натуральных и целых, с учётом знака, чисел. Для других чисел используются более сложные алгоритмы.
Вычитание чисел
[править | править код]Натуральные числа
[править | править код]Воспользуемся определением натуральных чисел как классов эквивалентности конечных множеств. Обозначим классы эквивалентности конечных множеств порождённых биекциями, с помощью скобок: . Тогда арифметическая операция «вычитание» определяется следующим образом:
где — разность множеств. Данная операция на классах введена корректно, то есть не зависит от выбора элементов классов, и совпадает с индуктивным определением.
Взаимно однозначное отображение конечного множества на отрезок можно понимать как нумерацию элементов множества . Этот процесс нумерации называют «СЧЁТОМ». Таким образом, «счёт» — это установление взаимно однозначного соответствия между элементами множества и отрезком натурального ряда чисел.
Для вычитания натуральных чисел в позиционной системе обозначения чисел применяется поразрядный алгоритм вычитания. Если даны два натуральных числа и такие, что:
где ; — количество цифр в числе ; — порядковый номером разряда (позиции), ; — основание системы счисления; множество числовых знаков (цифр), конкретной системы счисления: , , ; тогда:
вычитая поразрядно, получаем:
Таким образом операция вычитания сводится к процедуре последовательного простого вычитания натуральных чисел , с формированием заёма при необходимости, которое производится либо табличным методом, либо декрементированием (счётом).
Арифметические действия над числами в любой позиционной системе счисления производятся по тем же правилам, что и в десятичной системе, так как все они основываются на правилах выполнения действий над соответствующими многочленами. При этом нужно пользоваться таблицей вычитания, соответствующей данному основанию системы счисления.
Пример вычитания натуральных чисел в двоичной, десятичной и шестнадцатеричной системах счисления, для удобства числа записываются друг под другом соответственно разрядам, знак заёма пишется сверху, недостающие разряды дополняются нулями:
Целые числа
[править | править код]Множество целых чисел — расширение множества натуральных чисел , получаемое добавлением отрицательных чисел [6] вида . Множество целых чисел обозначается Арифметические операции над целыми числами определяются как непрерывное продолжение соответствующих операций над натуральными числами.
Наличие отрицательных чисел позволяет рассматривать и определять «вычитание» как разновидность «сложения» — сложение с отрицательным числом. Однако рассмотрим в рамках данной статьи «вычитание», как операцию определённую на множестве целых чисел, это также относится и к следующим числовым множествам. Отличие от натуральных чисел состоит в том, что отрицательные числа на числовой прямой направлены в противоположную сторону, это несколько меняет процедуру вычитания. Необходимо учитывать взаимное направление чисел, здесь возможны несколько случаев:
- Если оба аргумента положительные, тогда:
- Если один из аргументов отрицателен, тогда: либо
- Если оба аргумента отрицательны, тогда:
Здесь и далее также используется алгоритм поразрядного вычитания (сложения). Например, рассмотрим выражение: ; так как у чисел и разные знаки, то выносим минус за скобки: , вычисляя далее получим ответ: .
Рациональные числа
[править | править код]Множество рациональных чисел обозначается (от англ. quotient «частное») и может быть записано в таком виде:
Для вычитания рациональных чисел в виде обыкновенных или простых дробей вида: , их следует преобразовать (привести) к общему (одинаковому) знаменателю. Например, взять произведение знаменателей, числители при этом умножаются на соответствующие знаменатели. Затем вычесть полученные числители, а произведение знаменателей станет общим.
Если даны два рациональных числа и такие, что: (дроби не сокращаемые), тогда:
Либо можно найти наименьшее общее кратное (НОК) знаменателей. Порядок действий:
- Находим наименьшее общее кратное знаменателей: .
- Умножаем числитель и знаменатель первой дроби на .
- Умножаем числитель и знаменатель второй дроби на .
После этого знаменатели обеих дробей совпадают (равны ). В ряде простых случаев это упрощает вычисления, но в случае больших чисел расчёты значительно усложняются. Можно взять в качестве любое другое общее кратное.
Пример вычитания:
Если знаменатели обеих дробей совпадают, то:
Если знаменатели кратны какому-либо числу, то преобразуем только одну дробь:
Арифметическая операция «вычитание» над рациональными числами относится к замкнутым операциям.
Вещественные числа
[править | править код]Арифметические операции над вещественными числами представимых бесконечными десятичными дробями определяются как непрерывное продолжение[8] соответствующих операций над рациональными числами.
Если даны два вещественных числа, представимые бесконечными десятичными дробями:
определённые соответственно фундаментальными последовательностями рациональных чисел (удовлетворяющие условию Коши), обозначенные как: и , то их разностью называют число , определённое разностью последовательностей и :
вещественное число , удовлетворяет следующему условию:
Таким образом разностью двух вещественных чисел и является такое вещественное число которое содержится между всеми разностями вида с одной стороны и всеми разностями вида с другой стороны[9].
На практике для того, чтобы вычесть два числа и , необходимо заменить их с требуемой точностью приближёнными рациональными числами и . За приближённое значение разности чисел берут разность указанных рациональных чисел . При этом не важно, с какой стороны (по недостатку или по избытку) взятые рациональные числа приближают и . Сложение производится по алгоритму поразрядного сложения.
При вычитании приближённых чисел их абсолютные погрешности складываются , абсолютная погрешность числа принимается равной половине последнего знака этого числа. Относительная погрешность разности заключена между наибольшим и наименьшим значениями относительных погрешностей аргументов; на практике принимается наибольшее значение . Полученный результат округляют до первой верной значащей цифры, значащая цифра приближенного числа является верной, если абсолютная погрешность числа не превосходит половины единицы разряда, соответствующего этой цифре.
Пример вычитания , с точностью до 3-го знака после запятой:
- Округляем данные числа до 4-го знака после запятой (для повышения точности вычислений);
- Получаем: ;
- Поразрядно вычитаем: ;
- Округляем до 3-го знака после запятой: .
График
[править | править код]На множестве вещественных чисел область значений функции вычитания графически имеет вид плоскости проходящей через начало координат и наклонённой к осям на 45° угловых градусов.
Так как , то и для этих множеств область значений функции вычитания будет принадлежать этой плоскости.
Комплексные числа
[править | править код]Множество комплексных чисел с арифметическими операциями является полем и обычно обозначается символом .
Комплексные числа вычитаются друг с другом путём вычитания действительных и мнимых частей[10]. Это значит, что:
Где: , — мнимая единица. Используя представление комплексных чисел как векторов на комплексной плоскости, можно дать вычитанию комплексных чисел следующую геометрическую интерпретацию: разностью комплексных чисел и , представленных векторами на комплексной плоскости, будет вектор, соединяющий концы уменьшаемого вектора и вычитаемого вектора и направленный от вычитаемого к уменьшаемому, он является разностью векторов и соответственно разностью комплексных чисел. Аналогично будет, если к уменьшаемому вектору прибавить вектор, обратный вычитаемому вектору.
Аналогично для комплексных чисел n-ой размерности:
Экспоненциальная запись
[править | править код]В экспоненциальной записи числа записываются в виде , где — мантисса, — характеристика числа, — основание системы счисления. Для вычитания двух чисел, которые записаны в экспоненциальной форме, требуется, чтобы у них были одинаковые характеристики: согласно свойству дистрибутивности.
Например:
Вычитание произвольных чисел
[править | править код]При вычитании чисел принадлежащих разным множествам необходимо произвести расширение числа из множества с меньшей мощностью в сторону числа из множества с большей мощностью, либо оба числа расширить до уравнивания множеств, если существует такая возможность. Например, если нужно вычесть из рационального числа натуральное число , то воспользовавшись тем, что натуральные числа являются подмножеством рациональных, расширяем натуральное число до рационального числа и вычитаем два рациональных числа . Аналогично, пользуясь тем, что: можно вычитать числа из различных множеств между собой.
Особенности обучения вычитанию школьников
[править | править код]Практика показывает, что школьников легче научить вычислять разность чисел, чем научить их принимать решение о применимости операции вычитания в той или иной задаче. Это связано с тем, что вычитание, в отличие, например, от сложения, — некоммутативная операция, её аргументы играют разные роли, и ситуации задач на вычитание, которые должен разрешить ученик, существенно разнообразней, чем при сложении. В связи с этим детям, решившим задачу на вычитание одного вида, может быть затруднительно решить задачу на вычитание другого вида, даже с такими же числовыми данными. Педагог, работающий с ребёнком, должен убедиться, что его ученик уверенно чувствует себя и находит решение задач на вычитание следующих видов:
Виды задач | Примеры задач |
Задачи на нахождение результата действия или процесса, приводящих к уменьшению (расходу) начального количества | У Васи было 5 яблок, 3 из них он раздал друзьям. Сколько яблок у него осталось? |
Задачи на сравнение чисел и величин, нахождение разницы, превышения, избытка | На участке дороги максимальная разрешённая скорость — 60 км/ч. Автомобиль едет по ней со скоростью 85 км/ч. На сколько водитель превышает допустимую скорость? |
Задачи на измерение интервалов — временных и пространственных (как особый cлучай предыдущего вида задач) | В школе уроки заканчиваются в 13 часов 05 минут. Сейчас 10 часов 42 минуты. Сколько ещё ждать до конца уроков? |
Задачи на нахождение неизвестной части совокупности (объёма) как дополнения к известной части. | В классе 25 учеников. У двоих из них — рыжий цвет волос, у восьми — каштановый, шестеро — блондинов, остальные — брюнеты. Сколько в классе брюнетов? |
Задачи на обращение операции сложения. Восстановление первого операнда | Маша положила в копилку 25 рублей и всего у неё стало 583 рубля. Сколько денег было у Маши до этого? |
Задачи на обращение операции сложения. Восстановление второго операнда | Одна ручка стоит 20 рублей, а ручка и блокнот стоят 50 рублей. Сколько стоит блокнот? |
Задачи на обращение операции вычитания. Восстановление второго операнда (вычитаемого) | На дереве сидело 16 ворон. Несколько ворон улетело, а осталось 5. Сколько ворон улетело? |
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ Вычитание // Математическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1977—1985.
- ↑ Subtraction (англ.) на сайте PlanetMath.
- ↑ Лебедев, 2003, с. 97.
- ↑ Так эти свойства называются в учебниках для младших классов
- ↑ Истомина, 2005, с. 165.
- ↑ Выгодский, 2003.
- ↑ Гусев, 1988, с. 20.
- ↑ Поскольку на множестве вещественных чисел уже введено отношение линейного порядка, то мы можем определить топологию числовой прямой: в качестве открытых множеств возьмём всевозможные объединения интервалов вида
- ↑ Ильин, 1985, с. 46.
- ↑ Конвей, 1986, с. 107.
Литература
[править | править код]- Ильин В.А. и др. Математический анализ. Начальный курс. (неопр.). — МГУ, 1985. — Т. 1. — 662 с.
- Эндертон Г. Элементы теории множеств = Elements of Set Theory. — Gulf Professional Publishing, 1977. — 279 с. — ISBN 0-12-238440-7.
- Барсуков А.Н. Алгебра. Учебник для 6-8 классов. (неопр.). — Просвещение, 1966. — 296 с.
- Гусев В.А., Мордкович А.Г. Математика. Справочные материалы, книга для учащихся. (неопр.). — Просвещение, 1988. — 416 с.
- Истомина Н.Б. Методика обучения математике в начальной школе: Развивающее обучение. (неопр.). — Ассоциация XXI век, 2005. — 272 с. — ISBN 5-89308-193-5.
- Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике (неопр.). — М.: АСТ, 2003. — ISBN 5-17-009554-6.
- В.И. Игошин. КУРС ЧИСЛОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ВУЗА (рус.) : статья. — Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, 2010.
- Кононюк А.Е. Обобщенная теория моделирования. (неопр.). — Освіта України, 2012. — Т. 2. — 548 с. — ISBN 978-966-7599-50-8.
- Тире, минус и дефис, или Черты русской типографики : [арх. 24 августа 2011] // Ководство / Артемий Лебедев. — 2003. — § 97 (15 января).
- Conway, John B. Функция одной комплексной переменной = Functions of One Complex Variable I. — Springer Science, 1986. — 322 с. — ISBN 0-387-90328-3.