Aritmetic

Aritmetica ( altă greacă ἀριθμητική , arithmētikḗ  - din ἀριθμός , arithmós „număr”) este o ramură a matematicii care studiază numerele , relațiile și proprietățile lor. Subiectul aritmeticii este conceptul de număr ( natural , întreg , rațional , real , numere complexe ) și proprietățile acestuia. În aritmetică, sunt luate în considerare măsurătorile , operațiile de calcul ( adunare , scădere , înmulțire , împărțire ) și metode de calcul. Studiul proprietăților numerelor întregi individuale este implicat în aritmetica superioară sau teoria numerelor . Aritmetica teoretică acordă atenție definiției și analizei conceptului de număr, în timp ce aritmetica formală operează cu construcții logice de predicate și axiome . Aritmetica este cea mai veche și una dintre principalele științe matematice; este strâns legat de algebră , geometrie și teoria numerelor [1] [2] .

Motivul apariției aritmeticii a fost nevoia practică de numărare și calcule legate de sarcinile contabile în timpul centralizării agriculturii . Știința a evoluat odată cu creșterea complexității problemelor care trebuie rezolvate. O mare contribuție la dezvoltarea aritmeticii a avut-o matematicienii greci  - în special, filozofii pitagoreici , care au încercat să înțeleagă și să descrie toate legile lumii cu ajutorul numerelor.

În Evul Mediu, aritmetica a fost, după neoplatoniști , printre așa-numitele șapte arte liberale . Principalele domenii de aplicare practică a aritmeticii erau atunci comerțul , navigația , construcțiile . În acest sens, calculele aproximative ale numerelor iraționale , care sunt necesare, în primul rând, pentru construcțiile geometrice, au primit o importanță deosebită. Aritmetica s-a dezvoltat deosebit de rapid în India și țările islamice , de unde cele mai recente realizări ale gândirii matematice au pătruns în Europa de Vest ; Rusia s-a familiarizat cu cunoștințele matematice „atât de la greci, cât și de la latini”.

Odată cu debutul New Age, astronomia nautică , mecanica și calculele comerciale din ce în ce mai complexe au propus noi cerințe pentru tehnicile de calcul și au dat impuls dezvoltării ulterioare a aritmeticii. La începutul secolului al XVII-lea, Napier a inventat logaritmii , iar apoi Fermat a evidențiat teoria numerelor ca o secțiune independentă a aritmeticii. Până la sfârșitul secolului, s-a format ideea unui număr irațional ca șir de aproximări raționale, iar în secolul următor, datorită lucrărilor lui Lambert , Euler , Gauss , aritmetica a inclus operații cu mărimi complexe , dobândind un aspect modern. .

Istoria ulterioară a aritmeticii a fost marcată de o revizuire critică a fundamentelor sale, de încercări de justificare deductivă a acesteia. Justificarea teoretică a ideii de număr este asociată, în primul rând, cu o definiție strictă a numărului natural și cu axiomele lui Peano , formulate în 1889. Consecvența construcției formale a aritmeticii a fost demonstrată de Gentzen în 1936.

Elementele de bază ale aritmeticii au primit de multă vreme și invariabil o mare atenție în învățământul primar .

Subiectul aritmeticii

Subiectul aritmeticii îl reprezintă mulțimile numerice , proprietățile numerelor și operațiile asupra numerelor [3] . De asemenea, include întrebări legate de tehnica numărării, măsurători [4] , originea și dezvoltarea conceptului de număr [1] . Studii aritmetice, în primul rând, numerele naturale și fracțiile [5] . Pe baza structurii axiomatice a mulțimii numerelor naturale se construiesc și alte mulțimi numerice, inclusiv numere întregi , numere reale și complexe , iar analiza acestora se realizează [1] . Uneori, cuaternionii și alte numere hipercomplexe sunt considerate și în cadrul aritmeticii . În același timp, din teorema Frobenius rezultă că extinderea conceptului de număr dincolo de planul complex fără a-și pierde vreuna din proprietățile aritmetice este imposibilă [6] [7] .

Principalele operații asupra numerelor includ adunarea , scăderea , înmulțirea și împărțirea [3] , mai rar - ridicarea la o putere , extragerea rădăcinii [4] și rezolvarea ecuațiilor numerice [3] . Din punct de vedere istoric, lista operațiilor aritmetice includea și calculul propriu-zis , dublarea (pe lângă înmulțire), împărțirea cu doi și împărțirea cu rest (pe lângă împărțire), găsirea sumei progresiilor aritmetice și geometrice [8] . John Napier , în cartea sa The Art of Logistics, a împărțit operațiile aritmetice în pași: pasul cel mai mic este adunarea și scăderea, următorul este înmulțirea și împărțirea, apoi ridicarea la putere și extragerea rădăcinilor [9] . Cunoscutul metodolog I. V. Arnold s-a referit și la logaritmul la operațiile etapei a treia [10] . În mod tradițional, aritmetica se numește efectuarea de operații pe diverse obiecte, precum: „aritmetica formelor pătratice ”, „aritmetica matricelor[1] .

Calculele matematice efective și măsurătorile necesare nevoilor practice ( proporții , procente , regula triplă ) sunt clasificate ca aritmetice inferioare sau practice [3] , în timp ce analiza logică a conceptului de număr este denumită aritmetică teoretică [1] . Proprietățile numerelor întregi, împărțirea lor în părți, construcția fracțiilor continue sunt parte integrantă a teoriei numerelor [1] , care multă vreme a fost considerată aritmetică superioară [3] . Aritmetica este, de asemenea, strâns legată de algebra , care studiază operațiile reale fără a ține cont de caracteristicile și proprietățile numerelor [1] [11] . Operațiile aritmetice precum ridicarea la o putere și extragerea rădăcinilor sunt partea tehnică a algebrei. În acest sens, după Newton și Gauss , algebra este considerată a fi o generalizare a aritmeticii [3] [4] . În general, nu există limite clare între aritmetică, algebră elementară și teoria numerelor. TSB spune: „ Algebra studiază, folosind desemnări de litere, proprietățile generale ale sistemelor numerice și metodele generale de rezolvare a problemelor folosind ecuații; aritmetica se ocupă de metode de calcul cu numere date în mod specific, iar în zonele sale superioare (vezi Teoria numerelor) cu proprietăți individuale mai fine ale numerelor ” [12] .

Ca și alte discipline academice , aritmetica se confruntă cu probleme metodologice fundamentale ; pentru aceasta, este necesar să se studieze problemele de consistență și completitudine a axiomelor [3] . Construcțiile logice ale unui sistem formal de predicate și axiome de aritmetică sunt realizate de aritmetica formală [2] .

Cele mai simple concepte

Numărări ordinale, numere naturale

Cel mai simplu concept aritmetic este numărul ordinal . Obiectul de numărare sunt diverse elemente sau seturi ale acestora, de exemplu, mere și coșuri cu mere. Folosind numărul ordinal, puteți numerota elementele și desemnați numărul total al acestora .

Numărarea ordinală este asociată cu numărarea pe grupuri care conțin un anumit număr egal de elemente - de exemplu, numărarea în zeci de mere. De obicei, acestea sunt degete pe două mâini (baza este egală cu ), dar în sursele istorice există grupări după . Numărul de elemente dintr-un grup servește drept bază pentru sistemul numeric [11] .

Seria de numere obținută prin numărare se numește naturală, iar elementele sale se numesc numere naturale. Conceptul de serie naturală a apărut pentru prima dată în lucrările matematicianului grec Nicomachus în secolul I d.Hr. e., iar numărul natural - de autorul roman Boethius la sfârşitul secolului al V-lea - începutul secolului al VI-lea. Utilizarea generală a termenului începe cu opera lui d'Alembert din secolul al XVIII-lea. Arhimede în lucrarea sa „Psammit” a subliniat că seria numerică poate fi continuată la nesfârșit, dar în același timp a observat că un segment mic este suficient pentru probleme reale [13] . Împărțirea numerelor naturale în pare și impar este atribuită pitagoreenilor , este prezentă și în papirusul egiptean Rinda . Pitagorei au definit și numere prime și compuse [14] .

Adunare, înmulțire, exponențiere

Pentru numerele naturale, operațiile de adunare și înmulțire sunt definite în mod natural. Atunci când combinați două seturi care conțin un anumit număr de articole, noul set va avea tot atâtea articole câte au avut primele două seturi împreună. Dacă primul set conținea un articol, iar al doilea set conținea un element , atunci suma lor va conține articolele. Această acțiune se numește adunare și este cea mai simplă operație binară [4] . Pentru a verifica corectitudinea sumei, nu este necesar să cunoașteți tabelul de adunare, este suficient să numărați itemii [15] .

Adunarea multiplă a elementelor mai multor mulțimi identice nu depinde de ordinea acestor mulțimi, ceea ce a făcut posibilă definirea unei alte operații binare - înmulțirea [4] . Pe lângă înmulțire, în antichitate exista o operație aritmetică separată - dublarea, sau înmulțirea cu doi [16] .

Prin analogie cu definiția înmulțirii prin adunare, înmulțirea multiplă vă permite să definiți operația de ridicare la o putere.

Legile de bază ale aritmeticii

Despre proprietățile acestor operații se formulează cinci legi, care sunt considerate legile de bază ale aritmeticii [17] :

  • Comutativitatea: legea comutativă a adunării spune că suma nu se modifică de la schimbarea locurilor termenilor . O lege similară este cunoscută pentru multiplicare, dar bineînțeles că vorbește despre factori și produse. Aceste legi pot fi exprimate în formă algebrică folosind notația cu litere:
  • Asociativitate: Legea asociativă a adunării spune că prin adăugarea mai multor termeni, îi puteți grupa în orice ordine . O lege similară pentru înmulțire vorbește despre înmulțirea factorilor. Aceste legi pot fi exprimate și în formă algebrică:
  • Distributivitatea: Legea distributivă spune: pentru a înmulți o sumă cu un număr, puteți înmulți fiecare termen cu acel număr și apoi adăugați produsele rezultate . În formă algebrică:

Pe lângă legile de bază ale aritmeticii, legile monotonității adunării și înmulțirii [18] [19] sunt valabile și pentru numerele naturale, care sunt scrise în formă algebrică după cum urmează:

la ; la și .

Termenul „comutativ” pentru legea comutativă a fost introdus în 1814 de matematicianul francez Servois . Termenul „asociativ” pentru legea asociativă a fost introdus în 1853 de Hamilton [17] .

Poincare a considerat toate operațiile și legile aritmetice din punctul de vedere al intuiției . Afirmând că legile sunt valabile în mod evident pentru numerele mici și folosind regula inducției , se poate concluziona că sunt valabile pentru toate numerele. Cu o altă abordare, nu toate, ci doar cele mai simple legi sunt considerate intuitiv fezabile, în timp ce dovezile suplimentare sunt legate de construcții logice [20] . Legile comutative și asociative au fost acceptate ca evidente [17] . Legea distributivă sau distributivă din „Principiile” sale a dovedit chiar și Euclid, folosind metoda geometrică [21] .

Operația de exponențiere nu mai este comutativă și nu asociativă, are propriile reguli. Regulile de bază pentru efectuarea acestei operații cu puteri pozitive rezultă într-un mod evident din definiția ei [4] . În formă algebrică, ele pot fi scrise după cum urmează:

  • Distributivitatea este o lege distributivă pentru operația de exponențiere:
  • ea, în cazul scăderii, ia forma unei fracții:
  • Exponentiația repetată este dezvăluită ca înmulțirea puterilor:
.

Operații inverse

Toate operațiile aritmetice au inverse: adunarea are scădere, înmulțirea are împărțirea, exponențiația are rădăcina aritmetică și logaritmul. Faptul că adunarea și înmulțirea au o singură operație inversă, în ciuda binarității lor, se explică prin comutativitatea lor.

Scădere: numere negative

Scăderea este operația inversă a adunării: diferența a două numere și este din ecuația [4] . Operația de scădere se notează cu semnul „−” și se scrie ca . Pentru efectuarea operației s-au folosit două metode: numărarea din numărul descrescător de unități ale subtraendului sau selectarea unui număr a cărui adăugare la subtraend ar da redus [16] .

Operația de scădere, dacă se aplică tuturor perechilor de numere naturale, și nu doar celor care ar putea fi suma și termenii în cadrul operației de adunare, vă permite să treceți dincolo de seria naturală, adică diferența a două numere naturale. numerele nu este neapărat un număr natural - în scădere poate rezulta zero sau chiar un număr negativ. Numerele negative nu mai pot fi considerate ca număr de obiecte; ele sunt situate la stânga lui zero pe axa numerelor. Mulțimea numerelor obținute prin adăugarea numerelor negative și a numărului zero la numerele naturale se numește mulțime de numere întregi. Zero și mulțimea numerelor naturale se numesc numere întregi nenegative [4] . La înmulțire, pentru a determina dacă produsul numerelor va fi pozitiv sau negativ, folosiți „regula semnelor” [22] .

Numerele negative au fost considerate false și lipsite de sens de mulți matematicieni până în secolul al XIX-lea, ceea ce, totuși, nu a împiedicat utilizarea lor formală pe scară largă. Pentru prima dată a apărut conceptul de numere negative în India, unde au fost interpretate ca „datorie” (numere pozitive – „proprietate”). Însă numerele negative s-au răspândit abia în secolul al XVII-lea [23] . Termenul „scădere” a apărut la Boethius , termenii „scădere” și „redus” au fost introduși de Wolf în 1716, „diferență” – Widman în 1489 [16] . Desemnarea modernă cu semnele „+” și „−” a fost introdusă și de Widmann la sfârșitul secolului al XV-lea.

Împărțire: numere raționale

Inversul operației de înmulțire este operația de împărțire. Prima definiție a diviziunii este găsirea numărului care este în dividend de câte ori există 1 în divizor. O astfel de definiție este dată în manualele de aritmetică din secolul al XIV-lea - de exemplu ,. Divizarea a fost considerată o operațiune foarte complexă și greoaie. Metoda modernă de împărțire, folosind produse parțiale ale divizorului prin cifrele individuale ale coeficientului ( diviziunea pe coloană ), este prezentată într-un manuscris italian din 1460 [16] .

Pentru numerele naturale care nu sunt un multiplicator și un produs, se cunoaște diviziunea operației cu un rest (și definiția restului real din divizare se mai numește și diviziune modulo ). Există, de asemenea, multe modalități de a simplifica împărțirea în diverse cazuri speciale sau de a verifica divizibilitatea după un anumit număr. De exemplu:

  • un număr fără rest este divizibil cu doi dacă ultima sa cifră în notație zecimală este divizibil cu doi;
  • un număr fără rest este divizibil cu trei dacă suma tuturor cifrelor sale în notație zecimală este divizibil cu trei;
  • Un număr este divizibil cu zece fără rest dacă ultima sa cifră în notație zecimală este zero.

Operația de împărțire, dacă împărțiți nu numai acele numere care pot fi obținute prin înmulțirea numerelor naturale și, în același timp, nu selectați restul, precum și scăderea, vă permite să treceți dincolo de mulțimea numerelor naturale. La împărțire, se pot obține fracții care nu pot fi reduse la un întreg fără un rest. Numerele corespunzătoare unor astfel de fracții se numesc raționale. Datorită conștientizării numerelor raționale bazate pe divizare, există o altă extindere a listei de tipuri cunoscute de numere. Din punct de vedere istoric, a apărut mai întâi conceptul de fracție, iar apoi un număr negativ [24] . Același ordin se adoptă și în cursul școlar [25] .

Sunt utilizate două forme de scriere a fracțiilor - sub formă de numărător și numitor, separate prin orizontală sau oblică și adesea reduse la numere minime, și sub formă de cifre fracționale, plasate după separatorul părților întregi și fracționale din notarea pozițională a unui număr . De exemplu, rezultatul împărțirii a 10 la 20 poate fi scris ca .

Extragerea rădăcinii: numere iraționale și complexe

Una dintre cele două operații inverse pentru ridicarea la o putere este extragerea rădăcinii sau găsirea unui număr care, atunci când este ridicat la puterea corespunzătoare, va da un rezultat cunoscut. Adică, vorbind algebric, aceasta este căutarea unei rădăcini pentru o ecuație de forma . A doua operație inversă este căutarea logaritmului (rădăcina unei ecuații de forma ). Aritmetica, de regulă, include doar calculul rădăcinii de gradul doi - rădăcina pătrată .

Operația de calcul a rădăcinii, dacă este efectuată nu numai pentru acele numere care pot fi obținute prin ridicarea numerelor naturale la o putere, precum și alte operații inverse, vă permite să treceți dincolo de mulțimea numerelor naturale. Numerele care rezultă din aceasta nu pot fi reprezentate adesea ca fracții raționale finite și, prin urmare, sunt numite iraționale. Mulțimea numerelor obținute prin adăugarea numerelor iraționale la numerele raționale a fost numită reală sau reală .

Chiar și în Grecia Antică, se știa despre existența segmentelor incomensurabile , cel puțin pe exemplul laturilor și diagonalei unui pătrat cu o latură luată ca unitate, și s-au încercat să se obțină valori numerice exacte pentru ele, care s-a reflectat în „ Principiile ” ale lui Euclid . Numerele reale au devenit obiect de cercetare abia în secolele XVII-XVIII. În a doua jumătate a secolului al XIX-lea , Dedekind , Cantor și Weierstrass și -au formulat propriile modalități constructive de definire a unui număr real [26] .

Pentru operația de extragere a rădăcinii se cunoaște următoarea regulă [4] :

.

Extinderea în continuare a setului de numere s-a datorat imposibilității extragerii rădăcinii pătrate a unui număr negativ. O problemă similară s-a confruntat în antichitate la rezolvarea ecuațiilor pătratice , iar astfel de ecuații erau considerate pur și simplu de nerezolvat. În prima jumătate a secolului al XVI-lea, au început să exprime soluțiile unor astfel de ecuații în termeni de rădăcini din numere negative și au numit astfel de rădăcini „imaginare”, „imposibile”, „imaginare” etc. [27]

Aritmetică practică

Latura practică a aritmeticii include metode, scheme și algoritmi pentru efectuarea unor operații aritmetice exacte, inclusiv utilizarea mașinilor de calcul și a altor dispozitive, precum și diverse metode de calcule aproximative care au apărut din cauza imposibilității obținerii unui rezultat precis cu unele măsurători. și vă permit să o determinați.ordine, adică primele cifre semnificative [28] .

Metode exacte

Încă din secolul al XV-lea au fost propuși diverși algoritmi pentru efectuarea de operații aritmetice pe numere cu mai multe valori, care diferă prin natura înregistrării calculelor intermediare [1] . Algoritmii aritmetici sunt construiți pe sistemul de numere pozițional curent , atunci când orice număr real pozitiv este reprezentabil în mod unic sub forma

, unde  este următoarea cifră a numărului ,  este baza sistemului numeric,  este numărul de cifre ale părții întregi a numărului .

Toate operațiile pe numere folosesc tabele de adunare și înmulțire până la zece și legi aritmetice de bază. Ca o ilustrare, faimosul popularizator al științei Klein oferă următorul exemplu:

care foloseşte legile distributive şi de combinare [29] .

Nevoia de calcule rapide și precise a dus la crearea celor mai simple dispozitive de numărare: abacus , suanpan , yupans sau account . Următorul pas a fost crearea de către Oughtred în 1622 a regulii de calcul , care permite înmulțirea și împărțirea [30] .

Aritmetica computerului

Knuth considera operațiile aritmetice ca fiind „mulțimea calculatoarelor[31] . Primele calculatoare , care au făcut posibilă mecanizarea a patru operații aritmetice, au fost construite în secolul al XVII-lea. Mașina de aritmetică a lui Shikkard , așa cum a numit-o el însuși, a fost construită în 1623. Operațiile de adunare și scădere se făceau prin cilindri rotativi, cilindri speciali erau și pentru înmulțire și împărțire. În plus, mașina ar putea transporta zeci. Mașina lui Pascal a fost dezvoltată de el în 1642 pentru a-și ajuta tatăl cu calcule financiare. Avea același principiu de funcționare ca și mașina Shikkard. Partea principală a mașinii era mecanismul de transfer al zecilor. În același timp, producția artizanală a unor astfel de mașini a rămas încă neprofitabilă [32] . Încercările de îmbunătățire a mașinii de adăugare au continuat pe tot parcursul secolului al XVIII-lea, dar abia în secolul al XIX-lea s-a răspândit pe scară largă utilizarea mașinilor de adaos [33] .

În secolul al XX-lea, mașinile de adăugare au fost înlocuite cu calculatoare electronice. Ele se bazează pe algoritmi care folosesc cel mai mic număr de operații elementare pentru a efectua operații aritmetice [1] . Aritmetica computerizată include algoritmi pentru efectuarea de operații pe numere în virgulă mobilă , fracții și numere foarte mari [31] .

Dimensiune

Pe lângă elementele care sunt supuse recalculării, există elemente care pot fi măsurate - în primul rând, acestea sunt lungimea și masa [34] .

Ca și în cazul numărării, primele măsuri de lungime la oameni au fost degetele. Apoi au început să măsoare distanța în pași, pași dubli, mile (o mie de pași dubli), etape . În plus, pentru măsurarea lungimii au fost folosiți coți, palme, brațe , centimetri . În diferite regiuni s-au stabilit propriile sisteme de măsuri, care rareori erau multiplu de zece [35] . Varietatea măsurilor, în special, a făcut posibilă renunțarea la utilizarea fracțiilor [36] [37] . Aritmetica comercială a inclus capacitatea de a opera cu valori (unități monetare, unități de măsură și greutăți) într-un sistem numeric non-zecimal [38] .

La sfârșitul secolului al XVIII-lea, guvernul revoluționar francez a adoptat sistemul metric de măsuri pe baza unui metru temporar și apoi de arhivă (prin legea din 10 decembrie 1799)  ( Franța a trecut în cele din urmă la acesta de la 1 ianuarie 1840). Împreună cu contorul a fost definit și kilogramul . Sistemul metric se bazează pe sistemul zecimal. Această împrejurare a permis să se răspândească în aproape întreaga lume (cu excepția Marii Britanii și a SUA ). Prin decretul unui Birou Internațional de Greutăți și Măsuri special , situat la Paris , în 1888, un metru internațional și un kilogram internațional au fost fabricate dintr-un aliaj de platină și iridiu - standarde de măsuri și greutăți. Pe lângă măsurile de timp și unghi, toate celelalte unități de măsură sunt asociate și cu sistemul zecimal [39] .

Metode aproximative

Din punct de vedere istoric, calculele aproximative au apărut la căutarea lungimii diagonalei unui pătrat unitar, dar s-au răspândit la trecerea la un sistem zecimal și folosind fracții zecimale finite în loc de numere iraționale și numere exprimate printr-o fracție periodică infinită [40] .

Pentru calculele de evaluare se folosesc in primul rand legile monotonitatii. De exemplu, pentru a determina ordinea produsului , puteți utiliza următoarea estimare: [29] .

Teoria numerelor

Teoria numerelor , sau aritmetica superioară, este știința numerelor întregi care au apărut din problemele aritmetice legate de divizibilitatea numerelor [41] . Teoria numerelor elementare se ocupă de probleme care sunt rezolvate prin metode elementare, de obicei fără utilizarea numerelor imaginare. Include teoria divizibilității, teoria comparațiilor, ecuațiile nedefinite , împărțirea în termeni , aproximările prin numere raționale, fracțiile continuate [42] . Teorema de bază a aritmeticii  - despre împărțirea unui număr în factori primi într-un mod unic - face parte și ea din teoria elementară a numerelor [43] .

Subclase separate de numere întregi, cum ar fi numere prime, compuse, pătrate , perfecte , au fost identificate de grecii antici . Ei au dedus formule pentru determinarea triplelor pitagoreene, cel mai mare divizor comun , au arătat infinitatea numărului de numere prime. Diophantus a efectuat o sistematizare a problemelor legate de numerele întregi. Lucrările lui Diophantus au fost continuate de Fermat în secolul al XVII-lea și de Euler în secolul al XVIII-lea. Fermat a fost angajat în rezolvarea ecuațiilor în numere întregi și a formulat fără dovezi teoremele mici și mari ale lui Fermat . Euler, continuând cercetările lui Fermat, a demonstrat o mică teoremă și un caz special al marii teoreme a lui Fermat. El a fost primul care a aplicat analiza matematică pentru a rezolva probleme din teoria numerelor și a creat teoria analitică a numerelor. Euler a definit funcțiile generatoare , pe baza cărora s-au construit metoda circulară și metoda sumelor trigonometrice [41] .

În prezent, pe lângă teoria elementară și analitică a numerelor, există secțiuni precum teoria aditivă , algebrică , probabilistică , teoria numerelor metrice [41] .

Aritmetică teoretică

În matematica modernă , construcția unei teorii este o alegere a proprietăților de bază, sau axiome , din care se cere să se derive toate prevederile teoriei, sau teoreme , folosind logica general acceptată [44] . Construcția teoretică a aritmeticii operează cu concepte algebrice. Complexitatea evidențierii definițiilor de bază ale aritmeticii este asociată cu simplitatea pozițiilor sale inițiale. Peano , temându-se de o serie asociativă falsă la folosirea cuvintelor, a efectuat dovezi exclusiv în limbajul simbolurilor, bazându-se doar pe prevederile preliminare adoptate de el. Cantor și Dedekind au legat numerele cu mulțimi și relații abstracte asupra lor [20] . Teoria mulțimilor consideră operațiile aritmetice ca relații speciale între triplete de elemente, în care un element este determinat în termenii altor două, sau operații algebrice [45] . Vorbind despre teoria mulțimilor, Klein a remarcat că prin această abordare, dezvoltarea teoriei devine „abstractă și greu accesibilă” [20] .

Numerele naturale

În 1810, matematicianul ceh Bolzano a definit operația de adunare a numerelor naturale. Independent de el, o definiție similară a fost dată de matematicienii germani Grassmann în 1861 și Hankel în 1869 [46] . Enciclopedia Matematicii Elementare oferă următoarea definiție a adunării numerelor naturale [47] :

Definiție. Adunarea numerelor naturale este o astfel de corespondență care se potrivește fiecărei perechi de numere naturale și se potrivește cu unul și numai un număr natural având următoarele proprietăți:

  • pentru oricine ,
  • pentru orice și .

Adunarea numerelor naturale este întotdeauna fezabilă și lipsită de ambiguitate [47] .

Înmulțirea, ca și adunarea, a fost determinată independent de Bolzano, Grassmann și Hankel [46] . „Enciclopedia Matematicii Elementare” oferă următoarea definiție a înmulțirii numerelor naturale [48] :

Definiție. Înmulțirea numerelor naturale este o astfel de corespondență care se potrivește cu fiecare pereche de numere naturale și se potrivește cu un singur număr natural (sau ), care are următoarele proprietăți:

  • pentru oricine ,
  • pentru orice și .

Înmulțirea numerelor naturale este întotdeauna fezabilă și unică [48] .

În 1891, Peano a introdus axiomele pentru numerele naturale (alte surse menționează și 1889) [11] [46] . De atunci, axiomele s-au schimbat foarte puțin.

Definiție. Numerele naturale sunt elementele oricărei mulțimi nevide , în care pentru unele elemente și există o relație „ urmează ” , pentru care sunt valabile următoarele axiome [49] :

  • Există un număr care nu urmează niciun număr, adică pentru orice număr .
  • Pentru orice număr, există un număr următor și doar unul, adică rezultă din .
  • Orice număr urmează cel mult un număr, adică de la urmează .
  • Orice set de numere naturale care are proprietățile: aparține și dacă numărul aparține lui , atunci și numărul următor aparține lui , conține toate numerele naturale, adică coincide cu .

Întregi

Enciclopedia Matematicii Elementare oferă următoarea definiție a scăderii numerelor naturale [50] :

Definiție. Scăderea numerelor naturale este o astfel de corespondență care potrivește fiecare pereche de numere naturale cu un număr care are următoarea proprietate:

  • .

Scăderea numerelor naturale este fezabilă numai atunci când , dacă diferența există, atunci este unică [50] . Extinderea numerelor naturale datorită proprietăților de adunare și scădere duce la conceptul de numere întregi [51] .

Definiție. Un inel de numere întregi este un inel minim care conține mulțimea tuturor numerelor naturale și are următoarele proprietăți [52] :

  • Adunarea și înmulțirea numerelor naturale coincid cu operațiile cu același nume asupra acestor numere din inel ;
  • Inelul nu conține un sub-inel diferit care conține setul .

Elementele unui inel se numesc numere întregi.

Inelul există și este unic până la izomorfism , iar fiecare dintre elementele sale este egal cu diferența numerelor naturale. La construirea unui inel, se folosește un set de perechi de numere naturale de forma . Pentru perechi, echivalența , adunarea și înmulțirea sunt definite după cum urmează [52] :

  • este echivalent dacă și numai dacă

Numere raționale

„Enciclopedia Matematicii Elementare” oferă următoarea definiție a împărțirii numerelor naturale [50] :

Definiție. Împărțirea numerelor naturale este o astfel de corespondență care potrivește fiecare pereche de numere naturale cu un număr care are următoarea proprietate:

  • .

Împărțirea numerelor naturale este fezabilă numai atunci când ( multiplu ), dacă coeficientul există, atunci este unic [50] . Extinderea numerelor întregi prin conceptele de înmulțire și împărțire duce la definirea numerelor raționale [51] . În 1710, Wolf a afirmat cerința ca legile deja cunoscute pentru efectuarea operațiilor aritmetice cu numere întregi nu pot fi aplicate direct fracțiilor și trebuie justificate. Justificarea în sine a fost dezvoltată abia în secolul al XIX-lea folosind principiul constanței legilor formale [53] .

Definiție. Câmpul numerelor raționale este câmpul minim care conține inelul numerelor întregi și care are următoarele proprietăți [25] :

  • adunarea și înmulțirea numerelor întregi coincid cu operațiile cu același nume asupra numerelor din câmp ;
  • câmpul nu conține un subcâmp altul decât el însuși, care conține .

Elementele câmpului se numesc numere raționale.

Câmpul există și este unic până la izomorfism, iar fiecare dintre elementele sale este egal cu un coeficient de numere întregi. În ceea ce privește numerele întregi, la construirea câmpului numerelor raționale se folosește un set de perechi , dar acum deja numere întregi, în timp ce . Pentru perechi, echivalența, adunarea și înmulțirea sunt definite după cum urmează [25] :

  • este echivalent dacă și numai dacă

Numerele reale

În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, au fost introduse trei construcții teoretice diferite ale numerelor reale . Cea mai populară este construcția Dedekind . Kantor a folosit teoria limitelor în construcția sa [54] .

Definiție. Câmpul numerelor reale este un câmp continuu care conține câmpul numerelor raționale ca subcâmp. Elementele câmpului se numesc numere reale [55] .

Câmpul există și este unic până la izomorfism , iar fiecare dintre elementele sale este egal cu limita șirului de numere raționale [55] .

Numere complexe

Definiție. Câmpul numerelor complexe este câmpul minim care conține câmpul numerelor reale și un element astfel încât , care are următoarele proprietăți [56] :

  • adunarea și înmulțirea numerelor întregi coincid cu operațiile cu același nume asupra numerelor din câmp ;
  • câmpul nu conține un subcâmp altul decât el însuși, care conține .

Elementele câmpului se numesc numere complexe.

Câmpul este închis algebric . La construirea unui câmp de numere complexe, se folosește un set de perechi ordonate . Pentru perechi, echivalența, adunarea și înmulțirea sunt definite după cum urmează:

  • este echivalent dacă și numai dacă și ,

Aritmetică formală

Construcția logico-matematică se numește aritmetică formală [57] . Trecerea la logică este asociată cu abordarea școlii Hilbert , care a considerat abstracții în loc de numere și a presupus că legile aritmetice de bază erau adevărate pentru ele [20] . Pentru a justifica aritmetica, au fost propuse mai multe variante de axiomatică. Pe lângă sistemul de axiome Peano, care definește atât adunarea, cât și înmulțirea, există sistemul de axiome Presburger , care definește numai axiomele, și axiomele care definesc adunarea, înmulțirea și exponentiația. Adesea toate proprietățile operațiilor sunt incluse ca axiome [58] [59] . Toate aceste teorii axiomatice se bazează pe mulțimea numerelor întregi și nu includ paradoxurile teoriei mulțimilor . Alte abordări de cercetare derivă aritmetica din axiomele teoriei mulțimilor sau logicii matematice [44] . Pentru comoditatea cercetării, axiomele sunt scrise într-un limbaj formal special al logicii matematice [57] . Conține , variabile numerice, simboluri ( ) și conjunctive logice ( ), postulate sunt postulate ale predicatelor de calcul [2] . Axioma de inducție este o mulțime infinită de axiome care nu poate fi înlocuită cu nicio mulțime finită [57] .

În mod ideal, setul de bază de axiome ar trebui să aibă trei calități [11] :

  • consecvență  - axiomele nu trebuie să intre în conflict între ele;
  • independența  - între axiome nu trebuie să fie de prisos, dedusă logic din alte axiome;
  • completitudine  - setul de axiome trebuie să fie suficient pentru ca orice teoremă formulată corect să poată fi demonstrată sau infirmată.

Aritmetica numerelor naturale are o mare importanță pentru fundamentarea teoriilor matematice: din consistența ei rezultă consistența aritmeticii numerelor reale, care la rândul său permite, folosind metoda modelelor, să se arate consistența geometriei euclidiene și a lui Lobachevsky ' geometria s [11] [44] . Dovada consistenței aritmeticii în sistemul Peano și sistemele axiomatice aferente a fost urmărită fără succes de Hilbert la începutul secolului al XX-lea. După descoperirea teoremei de incompletitudine a lui Gödel în 1930, a devenit clar că acest lucru nu era posibil în sisteme atât de simple. O dovadă de consistență a fost efectuată în 1936 de către Gentzen folosind o variație a inducției transfinite [57] .

Pentru a studia independența, fiecare axiomă este înlocuită la rândul său cu opusul său, apoi se construiește un model în care setul de axiome rezultat este satisfăcut. Dacă axioma înlocuită este dependentă, adică decurge logic din alte axiome, atunci înlocuirea ei cu una opusă duce în mod evident la un sistem inconsecvent de axiome, iar construirea unui model este imposibilă. Astfel, dacă modelul poate fi construit, atunci axioma corespunzătoare este independentă [60] . În acest fel, s-a dovedit că toate axiomele lui Peano sunt independente unele de altele [61] .

Prin intermediul aritmeticii formale, care se bazează pe axiomele lui Peano, se pot scrie teoreme de teorie a numerelor care sunt dovedite fără a folosi instrumente de analiză matematică, precum și funcții recursive și proprietățile lor [2] . Este echivalentă cu teoria axiomatică a mulțimilor Zermelo-Fraenkel fără axioma infinitului . În același timp, teorema de completitudine a lui Godel , dovedită în 1929, a arătat că axiomatica lui Peano este incompletă, adică există teoreme aritmetice care nu pot fi nici dovedite, nici infirmate. În timp ce aritmetica este completă în raport cu formulele formei , există teoreme ale formei , care exprimă o propoziție adevărată, dar nu pot fi deduse [57] . De asemenea, a fost posibil să găsim exemple specifice de teoreme: teorema Goodstein , teorema Paris-Harrington și altele.

Contur istoric

Texte matematice antice și sisteme numerice

Textele de matematică egiptene au acordat o atenție deosebită calculelor și dificultăților care decurg din acestea, de care depindeau în mare măsură metodele de rezolvare a problemelor. Papirusurile matematice ale Egiptului antic au fost întocmite în scop educațional [62] , acestea conțineau probleme cu soluții, tabele auxiliare și reguli pentru operații pe numere întregi și fracții , există progresii aritmetice și geometrice , precum și ecuații [11] . Egiptenii foloseau sistemul numeric zecimal [63] . Egiptenii cunoșteau operații aritmetice precum adunarea, dublarea și adăugarea de fracții la una. Orice înmulțire cu un întreg și împărțire fără rest au fost efectuate folosind multiple repetări ale operației de dublare, ceea ce a condus la calcule greoaie care implică anumiți membri ai șirului [15] . În Egipt, s-au folosit numai fracții alicote sau fracții dintr-o unitate ( ), iar toate celelalte fracții au fost descompuse în suma alicote [64] . Atunci când determinau aria unui pătrat , volumul unui cub sau aflau latura unui pătrat după aria sa, egiptenii s-au confruntat cu ridicarea la putere și extragerea unei rădăcini, deși nu existau încă nume pentru aceste operații. [15] .

Textele matematice cuneiforme babiloniene foloseau sistemul de numere sexagesimal , caracteristic sumerienilor [65] , și erau instrumente didactice care includ tabele de înmulțire pentru numere de la până la , precum și tabele de reciproce , tabele de pătrate și cuburi de numere naturale, tabele de calcul. procente , fracții cu bază [11] [63] . Când rezolvau probleme de aritmetică, babilonienii se bazau pe proporții și progresii. Ei cunoșteau formula pentru suma membrilor unei progresii aritmetice, regulile de însumare a unei progresii geometrice și rezolvau probleme pentru procente [66] . În Babilon, ei cunoșteau o mulțime de triple pitagoreice , pentru căutări pentru care probabil au folosit o tehnică generală necunoscută. În general, problema găsirii unor soluții întregi și raționale la o ecuație aparține teoriei numerelor [67] . Problemele geometrice au condus la necesitatea extragerii aproximative a rădăcinilor pătrate , pe care le-au efectuat folosind regula și metodele iterative pentru a aproxima în continuare rezultatul [com. 1] .

Cele mai vechi texte matematice grecești datează din secolele XIV-VII î.Hr. e. [69] Inițial, grecii au folosit numerotarea atică , care în cele din urmă a fost înlocuită cu o literă compactă, sau ionică [70] . Dezvoltarea aritmeticii grecești antice aparține școlii pitagoreice . Pitagorei credeau la început că raportul dintre oricare două segmente poate fi exprimat prin raportul numerelor întregi, adică geometria era aritmetica numerelor raționale. Ei au considerat doar numere întregi pozitive și au definit un număr ca o colecție de unități. Studiind proprietățile numerelor, le-au împărțit în pare și impare (ca semn de divizibilitate cu doi), prime și compuse , au găsit o mulțime infinită de triple pitagorice [71] . În 399 î.Hr. e. a apărut o teorie generală a divizibilității, care, se pare, aparține lui Theaetetus , un student al lui Socrate . Euclid i-a dedicat cartea VII și o parte a cărții a IX-a „ Începuturi ”. Teoria se bazează pe algoritmul lui Euclid pentru găsirea celui mai mare divizor comun a două numere. Consecința algoritmului este posibilitatea descompunerii oricărui număr în factori primi, precum și unicitatea unei astfel de descompunere [72] .

În același timp, pitagoreicii dețin dovada incomensurabilității diagonalei și a laturii pătratului unității. Această descoperire a însemnat că rapoartele numerelor întregi nu sunt suficiente pentru a exprima rapoartele oricăror segmente și pe această bază este imposibil să se construiască o geometrie metrică [73] . Prima doctrină a iraționalității îi aparține lui Theaetetus. Algoritmul lui Euclid permite determinarea expansiunilor parțiale incomplete ale unui număr rațional într-o fracție continuă. În același timp, conceptul de fracție continuă nu a apărut în Grecia Antică [72] . În secolul al III-lea, Diophantus a început construcția algebrei bazată nu pe geometrie, ci pe aritmetică. Diophantus a extins, de asemenea, domeniul numeric la numere negative [74] .

Sistemul de numerotare romană nu era bine adaptat pentru calcule. Cifrele romane au precedat apariția alfabetului și nu sunt derivate din literele acestuia. Se crede că inițial numerele de la până au fost indicate prin numărul corespunzător de linii verticale, iar bararea lor însemna numărul de zece ori (de unde și numărul ). În consecință, pentru a obține numărul , bastonul a fost tăiat de două ori. Ulterior, sistemul a fost simplificat [75] . În prezent, este folosit în principal pentru a desemna numerele ordinale.

Până în secolul al XIV-lea, matematica chineză a fost un set de algoritmi de calcul pentru rezolvarea pe o tablă de numărare [76] . Operațiile aritmetice de adunare și scădere efectuate pe tabla de numărare nu necesitau tabele suplimentare, dar pentru înmulțire exista un tabel de la la . Operațiile de înmulțire și împărțire au fost efectuate începând de la cifrele cele mai mari, în timp ce rezultate intermediare au fost scoase de pe tablă, ceea ce a făcut imposibilă verificarea. La început, înmulțirea și împărțirea erau operații independente, dar apoi Sun Tzu a notat inversul lor reciproc [77] . În China, au știut să rezolve probleme folosind regula a două poziții false [78] , iar numerele negative au fost introduse pentru a rezolva sisteme de ecuații liniare . La început, au fost folosite doar în procesul de numărare și au fost scoase de pe tablă până la sfârșitul calculelor, apoi oamenii de știință chinezi au început să le interpreteze ca o datorie sau lipsă [79] .

Aritmetica în Evul Mediu

Sistemul de numere poziționale (zece cifre inclusiv zero ) a fost introdus în India . A făcut posibilă dezvoltarea unor reguli relativ simple pentru efectuarea operațiilor aritmetice [11] . Principalele operații aritmetice din India au fost considerate adunare, scădere, înmulțire, împărțire, pătrat și cub, extragerea rădăcinilor pătrate și cubice, pentru care s-au dezvoltat reguli. Calculele se făceau pe o tablă de numărare cu nisip sau praf, sau pur și simplu pe sol și se înregistrau cu un baston [80] . Indienii cunoșteau fracții și știau să facă operații asupra lor, proporții, progresii [81] . Deja din secolul al VII-lea d.Hr. e. au folosit numere negative, interpretându-le ca datorie, precum și numere iraționale [82] .

La începutul secolului al IX-lea, Muhammad ibn-Musa al-Khwarizmi a scris cartea „Despre contul indian”. Manualul conținea soluții la probleme practice „de diferite feluri și feluri” și a fost prima carte scrisă folosind un sistem de numere poziționale, înainte ca numerele erau folosite doar pentru calcule pe tabla de numărare [83] [84] . În secolul al XII-lea , două traduceri ale cărții în latină au fost făcute de Adelard și Ioan din Sewel [85] . Originalul său nu a fost păstrat, dar în 1857 a fost publicată o traducere latină găsită sub titlul „Alkhoresmi on the Indian Number” [83] . Tratatul descrie efectuarea operațiilor aritmetice precum adunarea, scăderea, dublarea, înmulțirea, bifurcarea, împărțirea și luarea rădăcinii pătrate cu ajutorul numerelor indiene pe tabla de numărare [86] . Înmulțirea fracțiilor, ca și diviziunea, a fost considerată folosind proporții: înmulțirea cu echivala cu găsirea astfel încât . Această teorie a stat la baza aritmeticii arabe. Totuși, a existat și un alt calcul al fracțiilor, reprezentând orice fracție ca sumă de fracții alicote [87] . Pentru a rezolva probleme, arabii au folosit regulă triplă , care a venit din India și a fost descrisă împreună cu o serie de alte tehnici în „Cartea indienilor Rashiks” a lui Al-Biruni, regula a două poziții false, care provenea din China și a primit teorii teoretice. justificare în „Cartea despre regula dublei poziții false” Bush ibn Lukka [88] .

Prin Spania și Sicilia în secolul al X-lea, au început să se stabilească legături științifice între Europa și lumea arabă. În acest moment , învațatul călugăr Herbert, care mai târziu a devenit papa Silvestru al II-lea , a vizitat Catalonia . El este creditat cu scrieri precum Cartea împărțirii numerelor și Regulile pentru a număra pe abac. În ambele cărți, numerele sunt scrise cu cuvinte sau cifre romane [89] . Herbert a numit calculatoarele de abac „abaciști”. În secolele XII-XIII, în Europa au apărut traduceri latine ale cărților arabe de aritmetică. Adepții numerotării poziționale zecimale prezentate în cărți au început să fie numiți „algorişti” după numele matematicianului arab al-Khwarizmi în formă latină [90] . La începutul secolului al XIII-lea, în Europa de Vest existau două sisteme numerice: vechiul, bazat pe abac și susținut de Herbert, și noul sistem indian pozițional, susținut de Leonardo Fibonacci. Treptat noul sistem a preluat controlul [85] [91] . Principalul său avantaj este simplificarea operațiilor aritmetice. Cu toate acestea, în Germania, Franța și Anglia, numerele noi nu au fost folosite până la sfârșitul secolului al XV-lea. O deplasare mai completă a vechii numerotări s-a produs abia în secolele XVI-XVII [91] .

În 1427, al-Kashi a descris sistemul fracțiilor zecimale , care a devenit larg răspândit după scrierile lui Stevin din 1585 [11] . Stevin a vrut să răspândească sistemul zecimal cât mai larg posibil. De aceea și-a scris compozițiile în franceză și flamandă , și nu în latină. În plus, a devenit un campion energic al introducerii sistemului zecimal de măsuri [37] .

Aritmetică modernă

În secolul al XVII-lea , astronomia nautică , mecanica și calculele comerciale mai complexe au impus noi cerințe aritmetice pentru tehnologia computațională și au dat impuls dezvoltării ulterioare. Conceptul de număr a suferit o schimbare semnificativă. Dacă mai devreme, în cea mai mare parte, numai numerele raționale pozitive erau atribuite domeniului numerelor, atunci începând din secolul al XVI-lea, numerele iraționale și negative au fost din ce în ce mai recunoscute. Newton , în prelegerile sale, împarte numerele în trei tipuri: numere întregi (măsurate cu o unitate), fracționale (fracțiuni multiple ale unei unități) și iraționale (incomensurabile cu o unitate). Din 1710, această definiție a numărului a fost inclusă ferm în toate manualele [92] .

La începutul secolului al XVII-lea, Napier a inventat logaritmii . Utilizarea logaritmilor și fracțiilor zecimale, includerea în aritmetică a conceptului de număr irațional ca șir de aproximări raționale a extins domeniul de aplicare a aritmeticii până la sfârșitul secolului al XVII-lea și a determinat importanța fundamentală a științei pentru studiul cantităților continue . [11] .

Procesul de revizuire critică a fundamentelor matematicii, care a avut loc în secolul al XIX-lea, este legat de lucrarea lui Lobachevsky asupra geometriei . Încă din secolul al XVIII-lea, încercările au început să ofere justificări teoretice ideilor despre număr. Leibniz a fost primul care a stabilit sarcina de a construi aritmetica în mod deductiv și, în special, a arătat necesitatea de a dovedi egalitatea „doi plus doi egal cu patru” în noile sale experimente asupra minții umane din 1705. Wolf în 1770, Schultz  în 1790, Ohm  în 1822, Grassmann  în 1861 și, în cele din urmă, Peano  în 1889 [93] și-au prezentat axiomele în încercarea de a rezolva această problemă .

În 1758, în Primele fundații ale aritmeticii, geometriei, trigonometriei plane și sferice și perspectivei, Kestner a susținut justificarea tuturor conceptelor aritmetice în termenii numărului întreg. Astfel a definit, în ordine în carte, numere naturale, fracții, numere negative, zecimale, numere iraționale și abia apoi teoria relațiilor [94] . În formarea teoriei numerelor negative, principala problemă a fost afirmația că un număr negativ este mai mic decât zero, adică mai mic decât nimic [95] .

O interpretare geometrică completă a numerelor complexe a fost propusă de Caspar Wessel în „An Essay on the Analytic Representation of Direction and its Applications, Principally to the Solution of Plane and Spherical Polygons” în 1799. Wessel a încercat să generalizeze teoria la spațiul tridimensional, dar nu a reușit. Întrebarea a rămas deschisă până când Hamilton a construit teoria cuaternionilor , a căror multiplicare nu respectă legea comutativă. În același timp, studiile lui Weierstrass, Frobenius și Pierce au arătat că oricare dintre legile aritmetice ar trebui abandonată pentru orice extindere a conceptului de număr dincolo de limitele numerelor complexe [96] .

Aritmetica în educație

Formarea conceptelor aritmetice este strâns legată de procesul de numărare. Se bazează pe elemente ale activității mentale precum capacitatea de a recunoaște un obiect; distinge obiectele; împărțiți un set de obiecte în elemente care sunt egale în numărare (cu alte cuvinte, utilizați o unitate de numărare); capacitatea de a aranja elementele secvențial , de a le aranja, ceea ce duce la numărarea obiectelor de diferite calități și formarea conceptului de număr. Procese similare pot fi observate în asimilarea conceptelor de către copii [11] .

Boethius despre aritmetică [97]

Deci, care dintre discipline ar trebui studiată mai întâi, dacă nu cea care este începutul și acționează ca o mamă în raport cu alte [discipline]? Asta e doar aritmetică. Ea le precede pe toate celelalte, nu numai pentru că Dumnezeu însuși, creatorul acestui univers, a luat-o mai întâi pe ea ca model al gândirii sale și, conform [principiului] ei, a aranjat tot ceea ce, prin numere, prin puterea Minții creatoare, a găsit armonie în ordinea stabilită, dar și pentru că aritmetica este declarată anterioară că dacă entitățile care au precedat prin natura lor sunt eliminate, cele ulterioare sunt imediat eliminate. Dacă cele ulterioare pierd, atunci nimic din starea substanței anterioare nu se schimbă.

Standardele învățământului primar presupun numărarea și compararea numerelor până la un milion, lucrul cu unități de măsură de bază și relațiile dintre ele, efectuarea a patru operații aritmetice de bază (oral până la 100 și în scris până la 10.000), precum și împărțirea cu un rest, căutarea valorii unei expresii numerice constând din mai multe operații aritmetice [98] [99] . Materialul școlar este prezentat cu ajutorul reprezentărilor vizuale. În clasa I, copiii se ocupă cu imagini numerice și cantități de obiecte, numărarea urcă până la 20. În clasa a II-a, introduc sistemul zecimal, sistemul pozițional, tabla înmulțirii, numărarea urcă până la 100. În clasa a III-a, ei studiază operații aritmetice cu numere cu mai multe valori. Următorul pas este trecerea la denumirile de litere, cu alte cuvinte, de la concret la abstract. Cu aceasta, potrivit lui Klein, începe matematica [100] . Dificultatea studierii aritmeticii în școala elementară constă în faptul că este necesar să se efectueze calculul în mod abstract din natura obiectelor [101] .

Învățământul din gimnaziu este asociat cu extinderea conceptului de număr, introduceți fracții și acțiuni asupra acestora, numere negative, numere iraționale [102] . Numerele reale și complexe, precum și algoritmul lui Euclid și teorema fundamentală a aritmeticii, sunt clasificate ca învățământ secundar complet. Conform Standardului Educațional de Stat Federal Rus , „Conținutul secțiunii Aritmetică servește ca bază pentru studiul ulterioar al matematicii de către elevi, contribuie la dezvoltarea gândirii lor logice, la formarea capacității de a utiliza algoritmi și la dobândirea de aptitudini practice necesare în viața de zi cu zi” [103] .

În lumea modernă, alfabetizarea matematică este unul dintre obiectivele principale ale educației. Include, în special, capacitatea de a efectua operații aritmetice, de a efectua calcule și măsurători [104] . Organizații precum UNICEF și UNESCO [105] [106] se ocupă de problemele de alfabetizare matematică a copiilor și adulților .

În același timp, pentru o lungă perioadă de timp, predarea operațiilor aritmetice s-a redus la execuția mecanică a probelor. În China antică, s-a acordat multă atenție predării matematicii, inclusiv promovării examenelor. Matematica a fost studiată la Academia Imperială timp de șapte ani. Cu toate acestea, tratatele de matematică clasică au fost tratate ca dogme și retipărite fără modificări [107] .

În Europa, exercițiile sistematice de adunare, scădere, înmulțire și împărțire au fost propuse de Tartaglia în secolul al XVI-lea, dar nu au intrat în uz de mult timp [108] . În plus, în Evul Mediu existau reguli pentru rezolvarea unui număr mare de probleme private de aritmetică. În unele manuale există până la 26 de astfel de reguli și este posibil să nu coincidă de la manual la manual [109] . Unele reguli nu și-au pierdut actualitatea până în prezent. Acestea includ proporții (fracțiile au fost considerate ca rapoarte a două numere, ceea ce a condus la luarea în considerare a proporțiilor pentru efectuarea operațiilor), procente [110] .

Aritmetica este a patra dintre cele șapte arte liberale în ceea ce privește învățarea. Este precedat de un trivium format din Gramatică , Retorică și Dialectică și este ea însăși știința principală în quadrivium , care include și Geometrie , Muzică și Astronomie . Odată cu apariția primelor universități europene, matematica a fost predată în facultățile de artă ca quadrivium și a fost o disciplină auxiliară. Primele prelegeri de aritmetică au fost susținute de maestrul Universității din Viena Johann of Gmunden în 1412 [112] .

Aritmetica în filosofie și artă

După ce pitagoreicii au folosit relațiile numerelor întregi pentru a exprima relațiile geometrice ale segmentelor, precum și relații similare în armonie și muzică, au ajuns la concluzia că toate legile lumii pot fi descrise folosind numere, iar aritmetica este necesară în ordine. să exprime relații și să construiască un model de pace [113] . În același timp, una dintre descoperirile pitagoreenilor este că rapoartele numerelor întregi nu sunt suficiente pentru a exprima rapoartele oricăror segmente (diagonala și latura pătratului sunt incomensurabile), iar pe această bază este imposibil de construit geometrie metrică [73] . Problemele de construire a unei măsuri finite și de determinare a numărului real au scos la iveală o criză științifică în secolul al V-lea î.Hr. e., din care au fost implicate toate scolile filozofice ale Greciei antice. Zenon din Elea a reușit să arate toate dificultățile care apar în rezolvarea acestor probleme în paradoxurile sale, sau aporii [114] .

Marcianus Capella în tratatul său „Căsătoria filozofiei și Mercur” a creat imagini vizuale ale tuturor celor șapte arte, inclusiv aritmetica. Artele erau personificate de femei cu atribute adecvate, care erau însoțite de reprezentanți cunoscuți ai sferei. Aritmetica ține în mâini o tăbliță inscripționată cu cifre sau un abac. Pitagora [115] o însoțește .

Numărarea a fost una dintre testele lui Buddha . După concursuri de tir cu arcul , alergare şi înot , matematicianul Arjuna i - a ordonat să numească toate gradele numerice mai sus . Buddha a numit douăzeci și două de grade la (doar gradele impare aveau nume), iar acesta a fost doar primul număr, în al doilea număr Buddha a continuat să . Următoarea sarcină a lui Buddha a fost să numere numărul de atomi într-o milă și apoi în univers [116] . „Scări numerice” similare se găsesc în mod repetat în poezia religioasă indiană, în timp ce cuvintele pentru numere pot varia. Scopul unor astfel de scări este să se ridice deasupra lumii muritorilor. Cartea indiană „Lilavatistara” descrie competiția dintre pretendenții doamnei pământului, frumoasa Gopa, în scris , aritmetică, lupte și arta aruncării cu săgeți. O parte semnificativă a lucrării [117] este dedicată testelor de aritmetică .

Ca și în India, numerele foarte mari construite artificial de preoții maya vorbesc despre o dorință de a urca mai sus pe „scara numerică”, mai aproape de zei [118] .

Note

Comentarii
  1. Să fie necesar să găsim rădăcina lui , - prima aproximare cu dezavantaj, - aproximarea cu exces. A doua aproximare este formată din formula mediei aritmetice , și îi corespunde , și așa mai departe) [68] .
Literatură și surse folosite
  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vinogradov I. M. Aritmetică // Enciclopedie Matematică. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1977. - T. 1.
  2. 1 2 3 4 Vinogradov I. M. Aritmetică formală // Enciclopedie matematică. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1977. - T. 1.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 Aritmetică, știință // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron  : în 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg. , 1890-1907.
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 MacDuffee CC Aritmetică . Enciclopaedia Britannica. Preluat la 20 martie 2012. Arhivat din original la 27 mai 2012.  (Engleză)
  5. ARITMETICA . Marea Enciclopedie Rusă . Consultat la 15 iunie 2017. Arhivat din original pe 27 iunie 2017.
  6. Arnold, 1938 , p. 3-5.
  7. Pontryagin, 1986 , p. 4-6.
  8. Belyustin V. Capitolul 12. Numărul și ordinea acțiunilor, semnelor și definițiilor // Cum au ajuns oamenii treptat la aritmetica reală . - M . : Tipografia lui K. L. Menshov, 1909.
  9. Depman, 1965 , p. 195-199.
  10. Arnold, 1938 , p. 151-156.
  11. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Aritmetică // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.
  12. Algebra // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.
  13. Depman, 1965 , p. 21-25.
  14. Depman, 1965 , p. 129-130.
  15. 1 2 3 Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 23-24.
  16. 1 2 3 4 Depman, 1965 , p. 212-232.
  17. 1 2 3 Depman, 1965 , p. 204.
  18. Aritmetică, 1951 , p. 142.
  19. Klein, 1987 , p. 23-26.
  20. 1 2 3 4 Klein, 1987 , p. 26-35.
  21. Aritmetică, 1951 , p. 77-79.
  22. Klein, 1987 , p. 37-44.
  23. Aritmetică, 1951 , p. 157.
  24. Klein, 1987 .
  25. 1 2 3 Arithmetika, 1951 , p. 172-178.
  26. Aritmetică, 1951 , p. 188-201.
  27. Aritmetică, 1951 , p. 227.
  28. Klein, 1987 , p. 35-36.
  29. 1 2 Klein, 1987 , p. 23-25.
  30. ARITMETĂ // Enciclopedia lui Collier. — Societate deschisă. — 2000.
  31. 1 2 Knuth , p. 216.
  32. Istoria matematicii, vol. II, 1970 , p. 66-67.
  33. Istoria matematicii, vol. III, 1972 , p. 42-45.
  34. Klein, 1987 , p. 45-49.
  35. Depman, 1965 , p. 263-267.
  36. Boyer & Merzbach, 2010 , Aritmetică și logistică.
  37. 1 2 Arithmetika, 1951 , p. 57-71.
  38. Knuth , p. 216, 221.
  39. Depman, 1965 , p. 275-285.
  40. Klein, 1987 , p. 49-57.
  41. 1 2 3 Vinogradov I. M. Teoria numerelor // Enciclopedia matematică. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1977. - T. 5.
  42. Vinogradov I. M. Teoria elementară a numerelor // Mathematical Encyclopedia. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1977. - T. 5.
  43. Arnold, 1938 , p. 413-415.
  44. 1 2 3 Metoda axiomatică // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.
  45. Aritmetică, 1951 , p. 100-107.
  46. 1 2 3 Depman, 1965 , p. 117-126.
  47. 1 2 Arithmetika, 1951 , p. 135-138.
  48. 1 2 Arithmetika, 1951 , p. 139-142.
  49. Aritmetică, 1951 , p. 133.
  50. 1 2 3 4 Arithmetika, 1951 , p. 150-151.
  51. 1 2 Arithmetika, 1951 , p. 172-179.
  52. 1 2 Arithmetika, 1951 , p. 160-167.
  53. Depman, 1965 , p. 258-262.
  54. Aritmetică, 1951 , p. 188.
  55. 1 2 Arithmetika, 1951 , p. 202.
  56. Aritmetică, 1951 , p. 228.
  57. 1 2 3 4 5 Aritmetică formală // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.
  58. Avigad, 2003 , p. 260.
  59. Nechaev, 1975 , p. 52-53.
  60. Nechaev, 1975 , p. 48.
  61. Nechaev, 1975 , p. 68-72.
  62. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 19-20.
  63. 1 2 Depman, 1965 , p. 49-52.
  64. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 25.
  65. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 34.
  66. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 40.
  67. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. cincizeci.
  68. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 46-47.
  69. Depman, 1965 , p. 53-54.
  70. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 62.
  71. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 68-69.
  72. 1 2 Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 74-76.
  73. 1 2 Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 73.
  74. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 144-146.
  75. Depman, 1965 , p. 57-58.
  76. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 178.
  77. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 160-161.
  78. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 163-164.
  79. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 167-169.
  80. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 183-185.
  81. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 185.
  82. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 190-191.
  83. 1 2 Depman, 1965 , p. 72-78.
  84. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 209-210.
  85. 1 2 Depman, 1965 , p. 90-94.
  86. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 211-212.
  87. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 212-214.
  88. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 218-219.
  89. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 254-256.
  90. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 256-257.
  91. 1 2 Arithmetika, 1951 , p. 50-57.
  92. Istoria matematicii, vol. II, 1970 , p. 34-36.
  93. Istoria matematicii, vol. III, 1972 , p. 47-49.
  94. Istoria matematicii, vol. III, 1972 , p. 49-52.
  95. Istoria matematicii, vol. III, 1972 , p. 52-56.
  96. Istoria matematicii, vol. III, 1972 , p. 61-66.
  97. Boethius. I, 1 // Fundamentele aritmeticii .
  98. Programul educațional de bază aproximativ al unei instituții de învățământ. Școala elementară (link inaccesibil) . Standardul educațional al statului federal. Consultat la 5 decembrie 2012. Arhivat din original pe 7 decembrie 2012. 
  99. Programul educațional de bază aproximativ al unei instituții de învățământ. scoala primara / comp. E. S. Savinov. - a 4-a. - M . : Educație, 2013. - S. 32-35. — 223 p. — ISBN 9785090264167 . Copie arhivată (link indisponibil) . Data accesului: 6 decembrie 2012. Arhivat din original pe 24 august 2013. 
  100. Klein, 1987 , p. 20-23.
  101. Depman, 1965 , p. 1-3, 103-109.
  102. Klein, 1987 , p. 37.
  103. Programe aproximative pentru disciplinele academice. Matematică (link inaccesibil) . Standardul educațional al statului federal. Consultat la 5 decembrie 2012. Arhivat din original pe 7 decembrie 2012. 
  104. Literacy, Mathematical Ability, and Problem Solving Skills in a Technological Advanced Society (link inaccesibil) . Universitatea Naţională de Cercetare Şcoala Superioară de Economie. Consultat la 5 decembrie 2012. Arhivat din original pe 7 decembrie 2012. 
  105. Definirea calității în educație  (engleză)  (link inaccesibil) . UNICEF . Consultat la 5 decembrie 2012. Arhivat din original la 15 octombrie 2012.
  106. Educație pentru toate  obiectivele . UNESCO . Consultat la 5 decembrie 2012. Arhivat din original pe 7 decembrie 2012.
  107. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 157.
  108. Depman, 1965 , p. 199-203.
  109. Depman, 1965 , p. 305.
  110. Depman, 1965 , p. 306.
  111. Arte liberale . Enciclopaedia Britannica. Preluat la 20 martie 2012. Arhivat din original la 27 mai 2012.  (Engleză)
  112. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 259-260.
  113. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 67.
  114. Istoria matematicii, vol. I, 1970 , p. 88-89.
  115. Şapte arte liberale (link inaccesibil) . Simbolariu. Preluat la 20 martie 2012. Arhivat din original la 27 mai 2012. 
  116. Menninger, 2011 , p. 176-179.
  117. Aritmetică, 1951 , p. 49.
  118. Menninger, 2011 , p. 82.

Literatură

Link -uri