小时候,为了让我们学乘法,老师会告诉我们,乘法就是加法的简便运算。 一般老师会这样举例子。
妈妈每天给你两块糖,十天共给了你几块糖?
老师还会给出两个算式让你对比。
2+2+2+2+2+2+2+2+2+2=20
2×10=20
于是,在三重诱惑(糖的美味,老师的博学,计算的方便)下,学习乘法之旅开始了。
二二得四
那个时候,你会认为,乘法就是加法的重复。
为了更快地掌握乘法,老师会让你背口诀。 口诀虽然枯燥,但在老师的严格要求下,在糖果的诱惑下,还是背得津津有味。
这样经过大约半年时间,乘法口诀就烂熟于心了。无论老师如何突袭,你都能迅速给出答案。于是,老师满意地开始了下一话题——面积。
由于,乘法口诀已经烂熟于心,很快,你就掌握了面积计算的诀窍。老师问,一块地长5米、宽2米,这块地有多大?你可以毫不犹豫地回答,10平方米。
一切过渡都是如此自然,以至于,在这一过程中,乘法的意义变了,你却完全不知道。从摆放一溜糖果,到计算面积,乘法已经从一维过渡到了二维,代表了两种完全不同的意义。摆成一溜的糖果,已经悄悄地在你心中摆成了一个方块。
问题是,乘法可以横跨两种空间,毫无滞涩。这是为什么?
真的毫无滞涩吗?
在计算面积的时候,对单位是有要求的,要求两个单位必须一致。比如,不能把2米和50厘米放在一起相乘。但是,在摆糖果的时候却没有这个要求。2块糖和10天可以毫无违和地做乘法运算。
不但如此,2米居然可以和50克进行相乘。比如。铁丝每米50克,两米铁丝有多重?
2米连50厘米这个近亲都不认,凭什么50克却可以呢?
如果你对这一丝滞涩毫无知觉,或者毫不在意,老师就会顺顺当当地把你送进物理课堂。接下来你就会学到一个更加六亲不认的公式,F=ma(力=质量×加速度)。此后,更多更多的神奇算法会被你学会。
如果你留意到这一丝滞涩,就会发现,你的整个知识体系是根基不稳的。
根基分析
为了打消根基不稳的疑虑,需要仔细分析一下糖果计算和面积计算的问题。
计算糖果时,乘法的意义是这样的:
已知每一段,求总长
计算面积时,乘法的意义是这样的:
已知两个方向各有一段,求一片。
对比两张图就会发现,一维、二维空间里的乘法在本质上是一样的,都是累积。只不过一个是在一个方向上累积,另一个是在两个方向上累积。
看出累积这个本质后,就可以用统一的方法来定义乘法了。这个新定义的关键是:方向。
规定,方向1为x,方向2为y。
一维空间里的乘法就是
(ax,0y)*(bx,0y) = (a*b)x,0y
二维空间里的乘法就是
(ax,0y)*(0x,by)=ax,by
如果规定,方向1的x可以忽略不写,方向2无变化时,y也可以忽略不写。
按照这个忽略规则,在一维空间里做一次加法,在二维空间里做一次乘法。
一维空间里的加法就是
a+b = a+b
二维空间里的乘法就是
(a)*(by)=a,by
就会发现,一维加法和二维乘法,表达形式非常接近。干脆统一了吧。于是,二维空间里的乘法就可以写成这样。
(a)*(by)=a+by
这样,一维里的加法,就可以和二维里的乘法统一定义了。这就是说,加减乘除四则运算,可以统一为一则运算。
另类的一维乘法
一维空间里的乘法非常神通广大。比如,
每人给你3块糖。
每天给你3块糖。
每块草地上有3头牛。
每次违规一次,扣5分。
等等这些都是乘法问题。这就好像有一个万能的量纲,这个量纲可以任意匹配。
万能是很过分的,背后必定有非常深刻的道理。这个以后再写,这篇文章的重点是运算规则的统一。
统一的意义
有了四则运算的统一定义,很快,我们就能把这种运算扩展到多维空间。比如,5维空间的体积,就可以用下面的公式表示
5维体积
可以看出来,这个统一的计算规则,用起来还是比较方便的。而且有了这样的运算规则,分数、虚数就不是必须的了。
以前的文章中有用两个盘进行四则运算的论述。用一致的方法进行四则运算,这其中根本的道理就在这里。
转动就可以完成四则运算
既然四则运算可以统一,那么可不可以统一更多的东西呢?这就是这个系列的终极目标。