Sčítání ( sčítání [2] ) je jedna ze základních binárních matematických operací ( aritmetických operací) dvou argumentů (členů), jejímž výsledkem je nové číslo ( součet ), získané zvýšením hodnoty prvního argumentu o hodnotu druhého argumentu. To znamená, že každé dvojici prvků z množiny je přiřazen prvek zvaný součet a . Toto je jedna ze čtyř základních matematických operací aritmetiky . Jeho priorita v normálním pořadí operací je rovna prioritě odečítání , ale nižší než umocňování , extrakce odmocnin , násobení a dělení [3] . Písemně se sčítání obvykle označuje znaménkem plus : .
Sčítání je možné pouze v případě, že oba argumenty patří do stejné sady prvků (mají stejný typ ). Na obrázku vpravo tedy zápis znamená tři jablka a dvě jablka dohromady, což dává dohromady pět jablek. Nemůžete ale přidat například 3 jablka a 2 hrušky.
Pomocí systematických zobecnění lze sčítání definovat pro abstraktní veličiny, jako jsou celá čísla , racionální čísla , reálná čísla a komplexní čísla , a pro jiné abstraktní objekty, jako jsou vektory a matice .
Sčítání má několik důležitých vlastností (například pro ) (viz Součet ):
Sčítání malých čísel je jednou z prvních dovedností, které se děti učí na základní škole.
Jsou známa různá sčítací zařízení, od starověkých počítadel až po moderní počítače .
Sčítání se zapisuje pomocí znaménka plus "+" mezi pojmy; tato forma notace se nazývá infixová notace . Výsledek se zapisuje pomocí znaménka rovná se . Například,
V řadě situací je sčítání implikováno, ale symboly sčítání se nepoužívají:
Součet řady souvisejících čísel lze zapsat pomocí symbolu Σ, což umožňuje kompaktní zápis iterace . Například,
Sčítačky jsou čísla nebo objekty sčítané dohromady [7] .
Znaménko plus „+“ ( Unicode :U+002B; ASCII : +) je zjednodušením latinského slova „et“ s významem „a“ [8] . Poprvé se tento symbol vyskytuje v knihách od roku 1489 [9]
Sčítání se používá k modelování bezpočtu fyzikálních procesů. I pro jednoduché sčítání přirozených čísel existuje mnoho různých výkladů a ještě více způsobů vizuálního znázornění.
Snad nejzásadnějším výkladem sčítání je kombinace množin:
Tento výklad je snadno vizualizovatelný a riziko nejednoznačnosti je minimální. Není však jasné, jak vysvětlit sčítání zlomkových nebo záporných čísel pomocí této interpretace sčítání [10] .
Jedním z možných řešení by bylo odkázat na sadu předmětů, které lze snadno oddělit, jako jsou koláče nebo tyče se segmenty [11] . Namísto kombinování sad segmentů mohou být tyče na koncích připojeny k sobě, což ilustruje jiný koncept přidávání: nejsou to tyče, které se sčítají, ale jejich délky.
Druhou interpretací sčítání je rozšíření počáteční délky o velikost přidané délky:
Součet a + b lze interpretovat jako binární sjednocení a a b v algebraickém smyslu a lze jej také interpretovat jako přičítání b jedniček k číslu a . V druhé interpretaci hrají části součtu a + b asymetrické role a operace a + b je považována za aplikaci unární operace + b na číslo a [13] . Unární přístup vám umožňuje přejít k odčítání , protože každá operace unárního sčítání má inverzní unární operaci odčítání a naopak.
Operace sčítání na číselných množinách má následující hlavní vlastnosti:
Sčítání je komutativní - součet se nemění změnou místa členů (tato vlastnost je také známá jako komutativní zákon sčítání ): Existují další zákony komutativnosti: například existuje komutativní zákon násobení. Mnoho binárních operací , jako je odčítání a dělení, však není komutativních.
Sčítání je asociativní - když se postupně sčítá tři nebo více čísel, nezáleží na pořadí operací ( asociativní zákon sčítání ):
Sčítání je distributivní , jedná se o vlastnost konzistence dvou binárních operací definovaných na stejné množině ( distributivní zákon ) [14] :
Pokud jde o sčítání, v množině je pouze jeden neutrální prvek , přidání čísla s (nula nebo neutrální prvek) dává číslo rovné původnímu:
Tento zákon byl poprvé popsán v Revidovaném pojednání o Brahmovi , který napsal Brahmagupta v roce 628. Napsal tento zákon ve formě tří samostatných zákonů: pro záporné, kladné a nulové číslo a a k popisu těchto zákonů používal slova a ne algebraické symboly. Později indičtí matematici tyto pojmy zdokonalili; kolem roku 840 Mahavira napsal, že „nula se stává stejnou jako to, co je k ní přidáno“, což odpovídalo zápisu 0 + a = a . Ve 12. století Bhaskara II napsal: „Pokud se nic nepřidává nebo nic neodečítá, pak množství, kladné nebo záporné, zůstává stejné, jak bylo,“ což odpovídá zápisu a + 0 = a [15] .
Přidání s opačným prvkem dává : [16]
Navíc sčítání nepřebírá výsledek mimo danou množinu čísel, proto jsou uzavřena pod operací sčítání. Tyto množiny s operacemi a tvoří kruhy ( komutativní kruhy s identitou) [17] . V jazyce obecné algebry , výše uvedené vlastnosti sčítání říkají, že jsou abelovské grupy s ohledem na operaci sčítání.
Operaci sčítání lze znázornit jako jakousi " černou skříňku " se dvěma členy na vstupu a jedním na výstupu - součet: [18] [19]
Při praktickém řešení problému sčítání dvou čísel je nutné jej zredukovat na posloupnost jednodušších operací: "jednoduché sčítání" , přenos, porovnávání atd. K tomu byly vyvinuty různé metody sčítání, např. pro čísla, zlomky, vektory atd. Na číselných množinách se používá algoritmus bitového sčítání [20] . V tomto případě by se přidání mělo považovat za postup (na rozdíl od operace).
Ukázkový algoritmus pro proceduru bitového sčítání dvou čísel [21]Jak vidíte, postup je poměrně složitý, skládá se z poměrně velkého počtu kroků a při sčítání velkých čísel to může trvat dlouho.
"Jednoduché sčítání" - v tomto kontextu znamená operaci sčítání jednociferných čísel, které lze snadno redukovat na inkrementaci . Je přírůstkový hyperoperátor :
kde je posloupnost prováděných inkrementačních operací a časy.
Výzkum matematického vývoje, který začal v 80. letech 20. století, se zabýval fenoménem habituace : děti se déle dívají na situace, které jsou neočekávané [22] . Experiment Karen Winn z roku 1992 použil panenky Mickey Mouse , se kterými se za zástěnou různě manipulovalo Tento experiment ukázal, že 5měsíční miminka očekávají 1 + 1 jako 2 a jsou překvapeni, když 1 + 1 je 1 nebo 3. Tento výsledek byl později potvrzen v jiných laboratořích za použití různých metod [23] . Další experiment v roce 1992 se staršími batolaty ve věku 18 až 35 měsíců využíval rozvoj motorických dovedností dětí a umožňoval jim vytahovat pingpongové míčky z krabičky; mladší kluci si dobře poradili s malým počtem míčků, starší se naučili počítat součet do 5 [24] .
Dokonce i některá zvířata vykazují schopnost skládání, zejména primáti . Experiment z roku 1995 byl podobný Winnovu experimentu z roku 1992, ale místo panenek byly použity lilky . Ukázalo se, že opice rhesus a tamaríni oidipští vykazují schopnosti podobné lidským mláďatům. Navíc jeden šimpanz poté, co se naučil rozlišovat a chápat význam arabských číslic od 0 do 4, byl schopen vypočítat součet dvou čísel bez jakéhokoli tréninku [25] . Později se zjistilo, že asijští sloni jsou schopni zvládnout základní aritmetické operace [26] .
Děti se zpravidla nejprve učí počítat . Když malé děti dostanou úkol, který vyžaduje zkombinovat dva předměty a tři předměty, obrátí se na pomoc konkrétních předmětů, jako je počítání prstů nebo nápověda při kreslení. Jak získávají zkušenosti, učí se nebo objevují strategii „počítání“: když je potřeba zjistit, kolik bude dvě plus tři, děti vypíší dvě čísla, která následují po čísle tři, a řeknou: „tři, čtyři, pět “ (obvykle ohýbají prsty) a v důsledku toho dostanou pět. Tato strategie se zdá téměř univerzální; děti se to mohou snadno naučit od svých vrstevníků nebo učitelů [27] . Mnoho dětí na to přichází samo. Po nashromáždění určitých zkušeností se děti naučí sčítat rychleji pomocí komutativnosti sčítání, začínají vypisovat čísla od největšího čísla v součtu, jako ve výše popsaném případě, počínaje třemi a vypisovat: „čtyři, pět “. Nakonec děti začnou používat některá fakta o sčítání („ příklady sčítání zpaměti “), a to buď tím, že se je naučí na základě zkušeností, nebo si je zapamatují. Když se některá fakta usadí v paměti, začnou děti odvozovat neznámá fakta ze známých. Například dítě sčítající šest a sedm může vědět, že 6 + 6 = 12, a že tedy 6 + 7 je o jedničku více, tedy 13 [28] . Tento druh vyvozování přichází poměrně rychle a většina žáků základních škol se spoléhá na směs všeho, co si pamatují a co dokážou odvodit, což jim nakonec umožňuje plynule sčítat [29] .
V různých zemích se se studiem celých čísel a aritmetiky začíná v různém věku, zejména sčítání se vyučuje v předškolních vzdělávacích institucích [30] . Na celém světě se přitom žáci do konce prvního ročníku základní školy učí sčítání [31] .
Sčítací tabulkaDětem se často ukazuje tabulka pro sčítání dvojic čísel od 1 do 10 pro lepší zapamatování.[ plovoucí výraz ] . Znáte-li tuto tabulku, můžete provést jakékoli přidání.
desítková sčítací tabulka+ | 0 | jeden | 2 | 3 | čtyři | 5 | 6 | 7 | osm | 9 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | jeden | 2 | 3 | čtyři | 5 | 6 | 7 | osm | 9 |
jeden | jeden | 2 | 3 | čtyři | 5 | 6 | 7 | osm | 9 | deset |
2 | 2 | 3 | čtyři | 5 | 6 | 7 | osm | 9 | deset | jedenáct |
3 | 3 | čtyři | 5 | 6 | 7 | osm | 9 | deset | jedenáct | 12 |
čtyři | čtyři | 5 | 6 | 7 | osm | 9 | deset | jedenáct | 12 | 13 |
5 | 5 | 6 | 7 | osm | 9 | deset | jedenáct | 12 | 13 | čtrnáct |
6 | 6 | 7 | osm | 9 | deset | jedenáct | 12 | 13 | čtrnáct | patnáct |
7 | 7 | osm | 9 | deset | jedenáct | 12 | 13 | čtrnáct | patnáct | 16 |
osm | osm | 9 | deset | jedenáct | 12 | 13 | čtrnáct | patnáct | 16 | 17 |
9 | 9 | deset | jedenáct | 12 | 13 | čtrnáct | patnáct | 16 | 17 | osmnáct |
Pro úspěšné sčítání v desítkové soustavě si musíte zapamatovat nebo být schopni rychle zobrazit 100 „faktů (příkladů) sčítání“ pro jednociferná čísla. Všechny tyto skutečnosti si lze zapamatovat tím, že si je zapamatujete, ale strategie pro učení sčítání pomocí vzorů jsou pro většinu lidí informativnější a efektivnější: [32]
Jak studenti stárnou, zapamatují si stále více faktů a učí se z nich rychle odvodit další fakta. Mnoho studentů si nepamatuje všechna fakta, ale dokáže rychle odvodit požadované [29] .
PřevodVe standardním vícemístném sčítacím algoritmu[ zjednodušený výraz ] číslice, které tvoří položky přidaných čísel, jsou umístěny pod sebou. Proveďte sčítání čísel samostatně v každém sloupci, počínaje zprava. Pokud součet číslic ve sloupci přesáhne 10, další číslice se " přenese " do dalšího sloupce (vlevo). Například celkem 27 + 59
¹ 27 +59 ———— 867 + 9 = 16 a číslo 1 se přenese do dalšího sloupce. V alternativní metodě začněte přidávat od nejvýznamnější číslice vlevo; v této strategii je převod poněkud hrubší, ale přibližná částka se získá rychleji. Existuje mnoho dalších způsobů přenosu.
Přidání desetinných místMetoda desítkového sčítání je jednoduchou modifikací vícemístného sčítání popsaného výše [33] . Při přidávání sloupce jsou zlomky uspořádány tak, že čárky[ styl ] byly přesně pod sebou. V případě potřeby lze vpravo a vlevo od kratšího zlomku přidat nuly (viz koncová nula a úvodní nuly ), aby se délka srovnala s delším zlomkem. Sčítání se tedy provádí stejným způsobem jako u výše popsaného způsobu sčítání víceciferných čísel, pouze čárka se v odpovědi nachází přesně tam, kde se u výrazů nacházela.
Například součet 45,1 + 4,34 lze vypočítat takto:
4 5, 1 0 + 0 4, 3 4 ——————————————— 4 9, 4 4 Exponenciální zápisV exponenciálním zápisu se čísla zapisují jako , kde je mantisa , je charakteristika čísla a je základem číselné soustavy. Chcete-li sečíst dvě čísla, která jsou zapsána v exponenciálním tvaru, je nutné, aby měla stejné vlastnosti: podle distributivní vlastnosti.
Například:
Speciálním případem je sčítání čísel, která se liší o několik řádů , s postupným zaokrouhlováním. Jestliže , pak budou chyby těchto čísel nesrovnatelné ( ), a když se provede sčítání, větší chyba pohltí menší. Tak může být narušena vlastnost asociativnosti.
Vezměme si například výraz : pokud provedeme nejprve , po zaokrouhlení výsledku dostaneme , sčítání dále, máme , a pokud se sčítání provádí v jiném pořadí, pak: . Nepřesné zaokrouhlení tedy může vést k různým hodnotám stejného výrazu.
Sčítání pro čísla s jinými základy je shodné se sčítáním v desítkové soustavě
Jako příklad uvažujme sčítání ve dvojkové soustavě [34] . Přidání dvou jednociferných binárních čísel pomocí carry je poměrně jednoduché:
0 + 0 → 0 0 + 1 → 1 1 + 0 → 1 1 + 1 → 0, 1 se přenese (protože 1 + 1 = 2 = 0 + (1 × 2 1 ))Součet dvou '1' se rovná '0' a 1 musí být přidána do dalšího sloupce. Tato situace je analogická tomu, co se stane v desítkové soustavě, když se sečtou jistá jednociferná čísla; pokud je výsledek roven nebo větší než hodnota základu (10), číslice nalevo se zvětší:
5 + 5 → 0, nos 1 (protože 5 + 5 = 10 = 0 + (1 × 10 1 )) 7 + 9 → 6, nos 1 (protože 7 + 9 = 16 = 6 + (1 × 10 1 ))Tato operace je známá jako "přenos" [35] . Když výsledek sčítání překročí rozsah hodnot a místa , musíte přebytek dělený základem systému (tj. 10 v desítkové soustavě) "převést" doleva a přidat jej do hodnotu na dalším místě. To je způsobeno skutečností, že hodnota na další číslici je krát větší (v -té číselné soustavě) než hodnota na aktuální číslici. Přenos v binární soustavě funguje stejně jako v desítkové soustavě:
1 1 1 1 1 (převod) 0 1 1 0 1 + 1 0 1 1 1 ———————————————— 1 0 0 1 0 0 = 36Tento příklad sčítá dvě čísla: 01101 2 (13 10 ) a 10111 2 (23 10 ). Horní řádek označuje přítomnost přenosu. Začneme sčítat od pravého sloupce: 1 + 1 = 10 2 . Zde je 1 nesena doleva a 0 je napsána na spodním řádku. Nyní se sečtou čísla ve druhém sloupci zprava: 1 + 0 + 1 = 10 2 ; 1 se přenese a 0 se napíše na spodní řádek. Třetí sloupec: 1 + 1 + 1 = 11 2 . V tomto případě je 1 nesena na spodním řádku. Výsledkem je 100100 2 (nebo 36 v desítkové soustavě).
Analogové počítače pracují přímo s fyzikálními veličinami, takže jejich mechanismus sčítání závisí na typu termínů. Mechanická sčítačka může představovat dva pojmy jako polohy posuvných bloků, v takovém případě je lze sčítat pomocí páky průměrování . Pokud jsou pojmy uvedeny ve formě rychlostí otáčení dvou hřídelů , lze je sčítat pomocí diferenciálu . Hydraulická sčítačka může přidat tlaky ve dvou komorách pomocí druhého Newtonova zákona k vyrovnání sil na sestavu pístu . Nejtypičtější aplikací analogového počítače je přidání dvou napětí (vzhledem k zemi ); toto může být hrubě realizováno s odporovým obvodem a pokročilá verze používá operační zesilovač [36] .
Operace sčítání je základní v osobním počítači . Výkon operace sčítání a zejména omezení spojená s přenosovým mechanismem ovlivňují celkový výkon počítače.
Počítadlo , také nazývané počítací deska, je počítací zařízení, které bylo používáno mnoho století před přijetím moderního číselného systému a je stále široce používáno obchodníky, obchodníky a úředníky v Asii , Africe a dalších kontinentech; předpokládá se, že počítadlo vzniklo nejpozději v letech 2700-2300 před naším letopočtem. e., pak to bylo používáno Sumery [37] .
Blaise Pascal vynalezl mechanickou kalkulačku v roce 1642 [38] [39] ; byl to první provozní sčítací stroj . V této kalkulačce byl přenosový mechanismus proveden gravitací. Byl to jediný fungující kalkulátor v 17. století [40] a vůbec první automatický digitální počítač. Pascalův sčítací stroj byl limitován přemisťovacím mechanismem, který umožňoval otáčení kol pouze jedním směrem a tím i stohování. K odečítání musel uživatel použít druhou sadu číslic k vyjádření výsledku a metody sčítání , které zahrnovaly stejný počet kroků jako sčítání. Giovanni Poleni pokračoval v Pascalově práci tím, že v roce 1709 postavil druhou funkční mechanickou kalkulačku. Číselník této kalkulačky byl vyroben ze dřeva a po instalaci uměl automaticky násobit dvě čísla dohromady.
Sčítače provádějí sčítání celého čísla v elektronických digitálních počítačích, obvykle používající binární aritmetiku . Nejjednodušší struktura používá vlnovou sčítačku (provedení předchozí sčítačky v řetězci sčítačky je přenesením pro další sčítačku), která umožňuje sčítání pro vícebitová čísla. Mírné zlepšení poskytuje skip-carry adder , který funguje podobně jako lidská intuice; neudělá všechny přenosy v součtu 999 + 1, obejde skupinu devítek a skočí přímo na odpověď [41] .
V praxi lze sčítání provádět pomocí sčítání modulo dva a operace AND v kombinaci s dalšími bitovými operacemi, jak je uvedeno níže. Obě tyto operace se snadno implementují v řetězcích sčítaček , které lze naopak kombinovat do složitějších logických operací . V moderních digitálních počítačích patří celočíselné sčítání, stejně jako další celočíselné aritmetické instrukce, k nejrychlejším operacím, ale zároveň mají obrovský dopad na celkový výkon počítače, protože celočíselné operace tvoří významnou část všech operací. výpočty. Sčítání celých čísel se používá například v takových úlohách, jako je generování adres během přístupu do paměti a načítání instrukcí během určitého pořadí provádění . Pro zvýšení rychlosti moderní počítače počítají hodnoty v číslicích paralelně ; taková schémata se nazývají carry sampling, carry anticipation a pseudo-transfer v Ling sčítačce . Ve většině případů je implementace sčítání na počítači hybridem posledních tří konstrukcí [42] [43] . Na rozdíl od sčítání papíru, přidání počítače často mění podmínky. Na starověkém počítadle a sčítací desce byly během operace sčítání oba termíny zničeny a zůstal pouze součet. Vliv počítadla na matematické myšlení byl tak velký, že v raných latinských textech se často uvádělo, že v procesu přidávání „čísla k číslu“ obě čísla mizí [44] . Vrátíme-li se do současnosti, podotýkáme, že instrukce ADD mikroprocesoru nahrazuje hodnotu prvního členu součtem, druhý člen zůstává nezměněn [45] . V programovacím jazyce vysoké úrovně se vyhodnocením a + b nezmění ani a ani b ; pokud je úkolem zapsat součet do a , pak to musí být výslovně uvedeno, obvykle výrazem a = a + b . V některých programovacích jazycích , jako je C nebo C++ , je toto zkráceno na a += b .
// Iterační algoritmus int add ( int x , int y ){ int carry = 0 ; while ( y != 0 ){ carry = AND ( x , y ); // Logické AND x = XOR ( x , y ); // Logické XOR y = carry << 1 ; // levý bitshift přenést o jednu } return x ; } // Rekurzivní algoritmus int add ( int x , int y ){ return x if ( y == 0 ) else add ( XOR ( x , y ) , AND ( x , y ) << 1 ); }Pokud je v počítači výsledek sčítání příliš velký na uložení, dojde k aritmetickému přetečení , což má za následek nesprávnou odpověď nebo výjimku během provádění programu. Neočekávané aritmetické přetečení je poměrně častou příčinou programovacích chyb . Takové chyby přetečení může být obtížné odhalit a diagnostikovat, protože se mohou vyskytnout pouze u velmi velkých souborů vstupních dat, které se v testech často nepoužívají [46] . Přidávání reálných čísel na moderních počítačích, stejně jako všechny výpočty s pohyblivou řádovou čárkou , je implementováno v hardwaru ve speciálním modulu zvaném matematický koprocesor (název je podmíněný, protože v moderních počítačích je fyzicky integrován do centrálního procesoru ). Sčítání s plovoucí desetinnou čárkou může také přetéct, ale vždy vyvolá výjimku a nezůstane bez povšimnutí.
Další důležitou vlastností výpočtů s plovoucí desetinnou čárkou je omezená přesnost reprezentace reálného čísla , v souvislosti s níž se výpočty s plovoucí desetinnou čárkou na počítači obecně provádějí přibližně a operace zaokrouhlování se aplikuje na výsledky výpočtů (včetně mezilehlých) . Zaokrouhlování se zpravidla aplikuje i na ta čísla, která jsou v desítkové soustavě reprezentována konečným zlomkem, tedy přesně (protože nejběžnější počítače používají binární číselnou soustavu ). V tomto ohledu při sčítání čísel s pohyblivou řádovou čárkou na počítači součet zpravidla závisí na pořadí sčítání členů - někdy výrazně, pokud se pořadí členů výrazně liší. S ohledem na tuto okolnost se při psaní programů, které používají sčítání velkého počtu termínů, musí uchýlit ke speciálním opatřením zaměřeným na snížení chyby. Jednou z nejúčinnějších metod pro snížení chyby součtu je Kahanův algoritmus .
Chcete-li reprezentovat základní vlastnosti sčítání, musíte nejprve rozhodnout o kontextu. Sčítání bylo původně definováno pro přirozená čísla . Sčítání je definováno pro větší a větší množiny, včetně přirozených čísel: celá čísla , racionální čísla a reálná čísla [47] . (V matematickém vzdělávání [48] předchází sčítání kladných zlomků sčítání záporných čísel [49] .)
Použijme definici přirozených čísel jako tříd ekvivalence konečných množin. Označme třídy ekvivalence konečných množin generovaných bijekcemi pomocí závorek: . Potom je aritmetická operace "sčítání" definována takto:
kde je disjunktní spojení množin . Tato operace s třídami je zavedena správně, to znamená, že nezávisí na volbě prvků třídy a shoduje se s induktivní definicí.
Zobrazení 1:1 konečné množiny na segment lze chápat jako výčet prvků množiny . Tento proces číslování se nazývá " počítání " [50] [ zkontrolovat odkaz (již 506 dní) ] . „Účet“ je tedy vytvořením vzájemné korespondence mezi prvky množiny a segmentem přirozené řady čísel [51] .
Pro sčítání přirozených čísel v pozičním zápisu čísel se používá algoritmus bitového sčítání. Jsou dána dvě přirozená čísla a taková, že:
kde: ;
- počet číslic v čísle ; - pořadové číslo kategorie (pozice), ; - základ číselné soustavy; sada číselných znaků (číslic), specifická číselná soustava: , , ;pak:
přidáváním kousek po kousku dostaneme:
Operace sčítání je tedy redukována na postup sekvenčního jednoduchého sčítání jednociferných čísel , s případným vytvořením převodní jednotky, které se provádí buď tabulkovou metodou, nebo inkrementací (počítáním).
Aritmetické operace s čísly v libovolné poziční číselné soustavě se provádějí podle stejných pravidel jako v desítkové soustavě , protože všechny jsou založeny na pravidlech pro provádění operací s odpovídajícími polynomy [52] . V tomto případě je třeba použít sčítací tabulku odpovídající danému základu číselné soustavy.
Příklad sčítání přirozených čísel v binárních, desítkových a hexadecimálních číselných soustavách, pro usnadnění jsou čísla psána pod sebou podle číslic, nosná jednotka je napsána nahoře, chybějící číslice jsou doplněny nulami:
Další slavná definice je rekurzivně:
V literatuře existují různé verze této definice. Ve větě o rekurzi[ neznámý termín ] na posetu N 2 je použita přesně ta definice uvedená výše. [54] . Na druhou stranu některé zdroje dávají přednost použití omezené věty o rekurzi, která platí pouze pro množinu přirozených čísel. Někteří navrhují dočasně "opravit" a tím, že se vrátíme na b , aby se definovala funkce " a +", a vložením těchto unárních operací pro všechna a vznikla úplná binární operace [55] .
Tuto rekurzivní definici sčítání podal Dedekind již v roce 1854 a v následujících desetiletích ji rozšířil [56] . Pomocí matematické indukce Dedekind dokázal vlastnosti asociativnosti a komutativnosti.
Množina celých čísel je rozšířením množiny přirozených čísel , získaných sečtením záporných čísel [57] tvaru . Množina celých čísel se značí Aritmetické operace na celých číslech jsou definovány jako spojité pokračování odpovídajících operací s přirozenými čísly. Rozdíl od přirozených čísel je v tom, že záporná čísla na číselné ose směřují opačným směrem, což poněkud mění postup sčítání. Je třeba vzít v úvahu vzájemný směr čísel, zde je možných několik případů:
Další konstrukce množiny celých čísel je založena na Grothendieckových grupách . Hlavní myšlenkou je, že každé celé číslo může být reprezentováno (více než jedním způsobem) jako rozdíl dvou přirozených čísel, takže můžeme definovat celé číslo jako rozdíl dvou přirozených čísel. Potom je sčítání definováno takto:
Množina racionálních čísel se označuje (z anglického kvocientu „soukromá“) a lze ji zapsat v tomto tvaru:
Chcete-li sečíst racionální čísla ve formě obyčejných (nebo jednoduchých) zlomků ve tvaru: , měla by být převedena (přenesena) na společného (identického) jmenovatele . Vezměme například součin jmenovatelů, zatímco čitatele vynásobíme odpovídajícími jmenovateli. Poté přidejte výsledné čitatele a součin jmenovatelů se stane společným.
Jsou-li dána dvě racionální čísla a taková, že: (neredukovatelné zlomky), pak:
[60]Nebo můžete najít nejmenší společný násobek (LCM) jmenovatelů. Postup:
Poté jsou jmenovatelé obou zlomků stejní (rovní se ). V řadě jednoduchých případů to zjednodušuje výpočty, ale v případě velkých čísel se výpočty výrazně zkomplikují. Můžete vzít jako jakýkoli jiný společný násobek.
Příklad doplnění:
Pokud jsou jmenovatelé obou zlomků stejní, pak:
Pokud jsou jmenovatelé násobky libovolného čísla, převedeme pouze jeden zlomek:
Aritmetická operace "sčítání" nad racionálními čísly odkazuje na uzavřené operace. Komutativnost a asociativita sčítání racionálních čísel je důsledkem zákonů celočíselné aritmetiky [61] . Přesnější a obecnější definici naleznete v článku pole zlomků .
Fyzikální veličiny se sčítají podobným způsobem: vyjadřují se v běžných měrných jednotkách [62] . Chcete-li například přidat 50 mililitrů a 1,5 litru, musíte převést mililitry na litry a uvést zlomky na společného jmenovatele:
litry.
Aritmetické operace na reálných číslech , reprezentovatelné jako nekonečné desetinné zlomky, jsou definovány jako spojité pokračování [63] odpovídajících operací na racionálních číslech.
Jsou dána dvě reálná čísla, která mohou být reprezentována jako nekonečná desetinná místa :
,definované základními posloupnostmi racionálních čísel (splňující Cauchyho podmínku ), označenými jako: a , pak jejich součet je číslo definované součtem posloupností a :
;
reálné číslo , splňuje následující podmínku:
.
Tedy součet dvou reálných čísel a je takové reálné číslo , které je obsaženo mezi všemi součty tvaru na jedné straně a všemi součty tvaru na straně druhé [64] .
V praxi je pro sečtení dvou čísel a nutné je s požadovanou přesností nahradit přibližnými racionálními čísly a . Pro přibližnou hodnotu součtu čísel vezměte součet zadaných racionálních čísel . Je přitom jedno, z jaké strany (nedostatkem nebo nadbytkem) se převzatá racionální čísla aproximují a . Sčítání se provádí podle algoritmu bitového sčítání.
Při sčítání přibližných čísel se jejich absolutní chyby sčítají , absolutní chyba čísla je rovna polovině poslední číslice tohoto čísla. Relativní chyba součtu je mezi největší a nejmenší hodnotou relativních chyb výrazů; v praxi se bere největší hodnota . Získaný výsledek se zaokrouhlí nahoru na první správnou platnou číslici, platná číslice přibližného čísla je správná, pokud absolutní chyba čísla nepřesahuje polovinu jednotky číslice odpovídající této číslici.
Příklad sčítání , až na 3 desetinná místa:
Na množině reálných čísel má graf sčítací funkce tvar roviny procházející počátkem souřadnic a skloněné k osám o 45° úhlových stupňů . Od , pak pro tyto sady budou hodnoty sčítací funkce patřit do této roviny. [65]
Komplexní čísla se sčítají sčítáním reálné a imaginární části [66] . Znamená to, že:
Kde:, je imaginární jednotka Pomocí znázornění komplexních čísel jako bodů v komplexní rovině můžeme dát sčítání komplexních čísel následující geometrickou interpretaci : součet komplexních čísel a , reprezentovaný body v komplexní rovině, je bod Vytvořeno sestrojením rovnoběžníku , jehož tři vrcholy jsou umístěny v bodech O , A a B. Nebo můžeme říci, že C je bod takový, že trojúhelníky OAB a CBA jsou shodné .
Podobně pro hyperkomplexní čísla (komplexní čísla n-té dimenze): [67]
Při sčítání čísel patřících do různých množin je nutné (pokud je to možné) reprezentovat množinu s menší mocninou jako podmnožinu množiny s větší mocninou, nebo najít „nejméně společnou množinu“. Pokud například potřebujete sečíst přirozené číslo s racionálním , pak s využitím skutečnosti, že přirozená čísla jsou podmnožinou racionálních, reprezentujeme číslo jako racionální a sečteme dvě racionální čísla . Podobně pomocí toho, že: , můžete k sobě sčítat čísla z různých sad. Vrátíme-li se k příkladu jablka, využijme toho, že množina jablek a množina hrušek jsou podmnožinami množiny ovoce: , a tedy můžeme sečíst 3 jablka a 2 hrušky, které je reprezentují jako podmnožiny množiny ovoce: ovoce_jablko ovoce_hrušky ovoce.
Existuje mnoho binárních operací, které lze považovat za zobecnění sčítání reálných čísel. Takovéto zobecněné operace jsou hlavním předmětem studia obecné algebry , vyskytují se také v teorii množin a teorii kategorií .
Vektorový prostor je algebraická struktura, ve které lze sečíst libovolné dva vektory a kterýkoli vektor lze vynásobit číslem. Jednoduchý příklad vektorového prostoru je množina všech uspořádaných dvojic reálných čísel; uspořádaná dvojice je vektor začínající v bodě v euklidovské rovině a končící v bodě (a všechny k němu kodirectional ). Součet dvou vektorů se získá sečtením jejich příslušných souřadnic: . Tato operace přidání je centrální pro klasickou mechaniku , ve které jsou vektory považovány za analogy sil .
Sčítání maticeSčítání matic je definováno pro dvě matice stejné velikosti. Součet dvou matic m × n A a B (vyslovováno „m krát n“), zapsaných jako A + B , je matice m × n získaná sečtením odpovídajících prvků [68] [69] :
Například:
Aritmetika zbytkuMnožina zbytků z dělení 12 se skládá z dvanácti prvků; tato množina zdědí operaci sčítání celých čísel. Sada zbytků modulo 2 má pouze dva prvky; operace sčítání, kterou zdědí, je ve výrokové logice známá jako operace „ exkluzivní nebo “. V geometrii je součet dvou úhlových mír často definován jako součet reálných čísel modulo 2π. Taková definice odpovídá operaci sčítání na kružnici , která zase zobecňuje operaci sčítání na vícerozměrném torusu .
Obecný dodatekV obecné teorii abstraktní algebry lze operaci „sčítání“ nazvat jakoukoli asociativní a komutativní operací. Hlavní algebraické systémy s takovými operacemi sčítání zahrnují komutativní monoidy a abelovské grupy .
Zobecněním sčítání přirozených čísel je sčítání řadových čísel a kardinálních čísel v teorii množin. Tyto operace jsou dvě různá zobecnění sčítání přirozených čísel k transfinitnímu případu . Na rozdíl od většiny typů operací sčítání není pořadové sčítání komutativní. Sčítání hlavních čísel je však komutativní operace úzce související s disjunktivní sjednocovací operací .
V teorii kategorií je disjunktní spojení považováno za speciální případ operace součinu a obecné součiny jsou možná nejabstraktnější ze všech zobecnění operace sčítání. Některé vedlejší produkty, jako je přímý součet a klínový součet , jsou pojmenovány tak, aby naznačovaly jejich vztah k operaci sčítání.
Sčítání, stejně jako odčítání, násobení a dělení, je považováno za jednu ze základních operací a používá se v elementární aritmetice.
Odčítání lze chápat jako speciální případ operace sčítání, totiž jako sčítání opačného čísla . Samotné odčítání je druh inverzní operace k sčítání, to znamená, že sčítání x a odečítání x jsou vzájemně inverzní funkce .
Na množině čísel, na kterých je definována operace sčítání, není vždy možné definovat operaci odčítání; jednoduchým příkladem je množina přirozených čísel. Na druhé straně operace odčítání jednoznačně určuje operaci sčítání a aditivní jednotky; z tohoto důvodu lze aditivní skupinu definovat jako množinu, která je uzavřena operací odečítání [70] .
Násobení lze chápat jako sčítání několikrát opakované . Jestliže se člen x objeví v součtu nkrát , pak se tento součet rovná součinu n a x . Pokud n není přirozené číslo , součin může dávat smysl; například vynásobením -1 získáte opačné číslo .
Sčítání a násobení reálných nebo komplexních čísel lze zaměnit pomocí exponenciální funkce :
e a + b = e a e b [71] .Tato identita umožňuje násobení pomocí tabulek logaritmů a ručního sčítání; umožňuje také násobení pomocí logaritmického pravítka . Tento vzorec je také dobrou aproximací prvního řádu v širokém kontextu Lieových grup , kde dává do souvislosti násobení infinitezimálních prvků Lieovy grupy se sčítáním vektorů v odpovídající Lieově algebře [72] .
Násobení má ještě více zobecnění než sčítání [73] . Obecně jsou operace násobení vždy distributivní s ohledem na sčítání. Tento požadavek je zakotven v definici prstenu . V některých případech, jako jsou celá čísla, je distributivita násobení s ohledem na sčítání a existence multiplikativní identity dostatečná k jednoznačnému definování operace násobení. Distributivní vlastnost také charakterizuje sčítání; rozšířením závorek v součinu (1 + 1)( a + b ) dvěma způsoby dojdeme k závěru, že sčítání musí být komutativní. Z tohoto důvodu je adice v kruhu vždy komutativní [74] .
Dělení je aritmetická operace vzdáleně související se sčítáním. Protože a / b = a ( b −1 ), je dělení správně distributivní s ohledem na sčítání: ( a + b ) / c = a / c + b / c [75] . Nicméně dělení není ponecháno distributivní s ohledem na sčítání; 1/ (2 + 2) se nerovná 1/2 + 1/2.
Operace maxima „max ( a , b )“ je binární operace podobná sčítání. Ve skutečnosti, pokud dvě nezáporná čísla a a b mají různé řády , pak se jejich součet přibližně rovná jejich maximu. Tato aproximace je extrémně užitečná v aplikacích matematiky, jako je zkrácení Taylorovy řady . Tato operace však vede k neustálým potížím v numerické analýze , protože operace maximalizace není vratná. Je-li b mnohem větší než a , pak obvyklý výpočet ( a + b ) − b může vést k nahromadění nepřijatelné zaokrouhlovací chyby , případně k nulovému výsledku. Viz také podtečení .
Tato aproximace se stává přesnou při přechodu na nekonečnou mez[ specifikovat ] ; jestliže některé z čísel aab je kardinální číslo , pak je jejich kardinální součet přesně roven většímu z těchto dvou [ 77] . Operace odčítání tedy není definována pro množiny nekonečné mohutnosti [78] .
Hledání maxima je komutativní a asociativní operace, stejně jako sčítání. Navíc, protože sčítání zachovává uspořádání reálných čísel, je sčítání distributivní vzhledem k maximalizační funkci stejným způsobem, jako je násobení s ohledem na sčítání:
a + max ( b , c ) = max ( a + b , a + c ).Z těchto důvodů je v tropické geometrii násobení nahrazeno sčítáním a sčítání je nahrazeno nalezením maxima. V této souvislosti se sčítání nazývá „tropické násobení“, nalezení maxima se nazývá „tropické sčítání“ a tropická „aditivní jednotka“ se nazývá záporné nekonečno [79] . Někteří autoři raději nahrazují sčítání minimalizací; v tomto případě je aditivní jednotkou kladné nekonečno [80] .
Kombinací těchto pozorování dohromady tropické sčítání aproximuje běžné sčítání pomocí logaritmu:
log ( a + b ) ≈ max ( log a , log b ),který se stává přesnějším se zvyšujícím se základem logaritmu [81] . Aproximace může být přesná, pokud vybereme konstantu h , pojmenovanou analogicky s Planckovou konstantou v kvantové mechanice [82] , a vezmeme „klasický limit“ , při kterém h má tendenci k nule:
V tomto smyslu je operace hledání maxima dekvantizací sčítání [83] .
Zvýšení nebo použití funkce následování znamená přičtení 1 k číslu.
Sumace je sčítání libovolně velkého počtu čísel, obvykle více než dvou. Konkrétními případy tohoto pojetí jsou součet jednoho čísla (výsledek takového sčítání je roven číslu samotnému) a také prázdný součet rovný nule [84] . Nekonečná sumace je netriviální procedura známá jako hledání součtu řady [85] .
Sečtení funkce identity nad konečnou množinou dává stejný výsledek jako sčítání počtu prvků této množiny.
Integrace je jakýmsi „součtem“ nad kontinuem , přesněji a obecněji, nad hladkým rozdělovačem . Integrace přes sadu nulové dimenze se redukuje na sumaci.
Lineární kombinace kombinují násobení a sčítání; to jsou součty, ve kterých má každý člen faktor, obvykle reálné nebo komplexní číslo . Lineární kombinace jsou zvláště užitečné v situacích, kdy by jednoduché sčítání porušilo nějaké normalizační pravidlo, jako je míchání strategií v teorii her nebo stavy superpozice v kvantové mechanice .
Konvoluce se používá k přidání dvou nezávislých náhodných proměnných daných distribučních funkcí . Standardní definice konvoluce používá integraci, odečítání a násobení. Obecně je vhodné chápat konvoluci jako "sčítání domény" a sčítání vektoru jako "sčítání rozsahu".
Slovníky a encyklopedie |
|
---|---|
V bibliografických katalozích |
|