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自然数乘法交换律的证明

(2013-11-12 15:47:09)
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娱乐

一、问题

现在小学二年级乘法表和我小时候学的不一样,只需要背45个公式。我记得我小学二年级背的乘法表是81个公式。另外,我检查女儿的数学作业,发现现在数学教材也不再区分乘数和被乘数,这意味着3×7与7×3的意义完全一样。我的记忆中,大约在我4年级左右,我阅读一个亲戚小孩的二年级数学教材,得知3×7定义为7个3相加,而7×3定义3个7相加,显然这两者意义不一样,而且也并不能从直觉上或逻辑上很直白地得出二者结果相等的结论。

二、意义

1.实用性。以我们小学就耳熟能详的公式路程等于速度乘以时间为例。按照上述定义,速度的时间倍数,得到的是距离。反之,如果是时间乘以速度,按照上述定义,则意味着得到的结果是时间。这两者的区别是明显的。

2.难度。一开始我认为可以用减法很简单地证明,结果发现如果不使用乘法交换律,减法或除法是不能证明该命题的。例如:a×b-b×a=b个a-a个b(令a>b,将上述两排数一一对其并相减,有a-b个b没有被减数可减,用0代替)=(a-b)×b+(0-b)×(a-b)。如果将其中的任意一个因子按乘法分配律提起来,实际上暗含使用了交换律。用除法证明需要使用交换律就更明显了。

三、证明

为此,我看了罗素的《数理哲学导论》,这本书比较枯燥,看看就睡着了。也没有找到自己要的答案。但是该书对数学归纳法的介绍启发了我,发现可以使用数学归纳法证明交换律。

1.乘法分配律的证明:c×a+c×b=c×(a+b)。按照上述定义,左边等于a个c与b个c的和,因此也等于(a+b)个c,等于右式。

2.自然数乘法交换律的证明(包含0也没有问题,但是乘法表是从1开始,我们就从1开始证明)

首先转换问题,将自然数的乘法交换律转换为:任意一个自然数,乘以所有自然数,满足乘法交换律。

即:令X是任意一个自然数,N是自然数序列的第N项,证明X×N=N×X对于所以自然数序列成立。

使用数学归纳法:

(1)首先证明命题一:X×N=N×X对于N=1成立。显然1个X等于X个1的和。因此命题一成立。

(2)其次证明命题二:如果X×N=N×X,则X×(N+1)=(N+1)×X成立。因X×(N+1)=X×N+X×1(分配律)=N×X(假设)+1×X(命题(1))=(N+1)×X(定义),因此命题二成立。

(3)根据命题一,X×1=1×X成立。根据命题二,X×2=2×X成立。重复使用得到的结果和命题二,显见,乘法交换律对于被乘数是任意自然数X,乘数是自然数序列中的所有N成立;即X×N=N×X对于所有自然数N成立。由于被乘数X是任意自然数,因此乘法交换律对于所有的自然数相乘成立。

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