Как легко возводить в квадрат трехзначные числа. Возведение в степень, правила, примеры

Старинная запись на квитанции в уплате подати («ясака»). Она означает сумму 1232 руб. 24 коп. Иллюстрация из книги: Яков Перельман «Занимательная арифметика»

Ещё Ричард Фейнман в книге «Вы конечно шутите, мистер Фейнман!» поведал несколько приёмов устного счёта. Хотя это очень простые трюки, они не всегда входят в школьную программу.

Например, чтобы быстро возвести в квадрат число X около 50 (50 2 = 2500), нужно вычитать/прибавлять по сотне на каждую единицы разницы между 50 и X, а потом добавить разницу в квадрате. Описание звучит гораздо сложнее, чем реальное вычисление.

52 2 = 2500 + 200 + 4
47 2 = 2500 – 300 + 9
58 2 = 2500 + 800 + 64

Молодого Фейнмана научил этому трюку коллега-физик Ханс Бете, тоже работавший в то время в Лос-Аламосе над Манхэттенским проектом.

Ханс показал ещё несколько приёмов, которые использовал для быстрых вычислений. Например, для вычисления кубических корней и возведения в степень удобно помнить таблицу логарифмов. Это знание очень упрощает сложные арифметические операции. Например, вычислить в уме примерное значение кубического корня из 2,5. Фактически, при таких вычислениях в голове у вас работает своеобразная логарифмическая линейка, в которой сложение и деление чисел заменяется сложением и вычитанием их логарифмов. Удобнейшая вещь.

Логарифмическая линейка

До появления компьютеров и калькуляторов логарифмическую линейку использовали повсеместно. Это своеобразный аналоговый «компьютер», позволяющий выполнить несколько математических операций, в том числе умножение и деление чисел, возведение в квадрат и куб, вычисление квадратных и кубических корней, вычисление логарифмов, потенцирование, вычисление тригонометрических и гиперболических функций и некоторые другие операции. Если разбить вычисление на три действия, то с помощью логарифмической линейки можно возводить числа в любую действительную степень и извлекать корень любой действительной степени. Точность расчётов - около 3 значащих цифр.

Чтобы быстро проводить в уме сложные расчёты даже без логарифмической линейки, неплохо запомнить квадраты всех чисел, хотя бы до 25, просто потому что они часто используются в расчётах. И таблицу степеней - самых распространённых. Проще запомнить, чем вычислять каждый раз заново, что 5 4 = 625, 3 5 = 243, 2 20 = 1 048 576, а √3 ≈ 1,732.

Ричард Фейнман совершенствовал свои навыки и постепенно замечал всё новые интересные закономерности и связи между числами. Он приводит такой пример: «Если кто-то начинал делить 1 на 1,73, можно было незамедлительно
ответить, что это будет 0,577, потому что 1,73 - это число, близкое к квадратному корню из трёх. Таким образом, 1/1,73 - это около одной трети квадратного корня из 3».

Настолько продвинутый устный счёт мог бы удивить коллег в те времена, когда не было компьютеров и калькуляторов. В те времена абсолютно все учёные умели хорошо считать в уме, поэтому для достижения мастерства требовалось достаточно глубоко погрузиться в мир цифр.

В наше время люди достают калькулятор, чтобы просто поделить 76 на 3. Удивить окружающих стало гораздо проще. Во времена Фейнмана вместо калькулятора были деревянные счёты, на которых тоже можно было производить сложные операции, в том числе брать кубические корни. Великий физик уже тогда заметил, что использование таких инструментов, людям вообще не нужно запоминать множество арифметический комбинаций, а достаточно просто научиться правильно катать шарики. То есть люди с «расширителями» мозга не знают чисел. Они хуже справляются с задачами в «автономном» режиме.

Вот пять очень простых советов устного счёта, которые рекомендует Яков Перельман в методичке «Быстрый счёт» 1941 года издательства.

1. Если одно из умножаемых чисел разлагается на множители, удобно бывает последовательно умножать на них.

225 × 6 = 225 × 2 × 3 = 450 × 3
147 × 8 = 147 × 2 × 2 × 2, то есть трижды удвоить результат

2. При умножении на 4 достаточно дважды удвоить результат. Аналогично, при делении на 4 и 8, число делится пополам дважды или трижды.

3. При умножении на 5 или 25 число можно разделить на 2 или 4, а затем приписать к результату один или два нуля.

74 × 5 = 37 × 10
72 × 25 = 18 × 100

Здесь лучше сразу оценивать, как проще. Например, 31 × 25 удобнее умножать как 25 × 31 стандартным способом, то есть как 750+25, а не как 31 × 25, то есть 7,75 × 100.

При умножении на число, близкое к круглому (98, 103), удобно сразу умножить на круглое число (100), а затем вычесть/прибавить произведение разницы.

37 × 98 = 3700 – 74
37 × 104 = 3700 + 148

4. Чтобы возвести в квадрат число, оканчивающееся цифрой 5 (например, 85), умножают число десятков (8) на него же плюс единица (9), и приписывают 25.

8 × 9 = 72, приписываем 25, так что 85 2 = 7225

Почему действует это правило, видно из формулы:

(10Х + 5) 2 = 100Х 2 + 100Х + 25 = 100Х (X+1) + 25

Приём применяется и к десятичным дробям, которые оканчиваются на 5:

8,5 2 = 72,25
14,5 2 = 210,25
0,35 2 = 0,1225

5. При возведении в квадрат не забываем об удобной формуле

(a + b) 2 = a 2 + b 2 + 2ab
44 2 = 1600 + 16 + 320

Конечно же, все способы можно сочетать между собой, создавая более удобные и эффективные приёмы для конкретных ситуаций.

Представим, что оператора возведения в степень нет в нашем распоряжении, так что остаётся лишь умножать. Определение степени с целым неотрицательным показателем x n позволяет сделать вычисление с использованием n − 1 умножения. Но умножение - достаточно затратная операция (вспомним умножение в столбик). Поэтому постараемся свести к минимуму число выполняемых умножений.

К примеру, если показатель степени сам является степенью двойки, n = 2 m , то потребуется всего лишь m умножений, точнее, возведений в квадрат: x 2 m = x 2 2 2 … 2 . Это полезное наблюдение можно распространить на общий случай, воспользовавшись очевидными равенствами: x n = x 2 n 2 при чётном n , x ⁢ x 2 n − 1 2 при нечётном n . Можно отнестись к этим формулам как к рекурсивному способу вычисления степени. Конечно же эти соотношения нужно дополнить граничными условиями x 0 = 1 , x 1 = x .

Оказывается, количество умножений, которое следует выполнить для возведения в степень в соответствии с описанной рекурсивной процедурой, вычисляется по формуле μ n = ζ n + 2 ⁢ ε n − 2 , где ζ n и ε n - количества соответственно нулей и единиц в двоичной записи числа n . Эта величина растёт крайне медленно с ростом n , о чём свидетельствует таблица:

Очень маловероятно, что нам придётся возводить что-то в 10000000000 -ю степень, но, если бы пришлось, то мы обошлись бы всего сорока тремя умножениями!

Формула находится в полном согласии с рассмотренным ранее частным случаем, когда n = 2 m и ζ = m , ε = 1 . В общем же случае заметим, что цифры в двоичном разложении числа равны остаткам от многократного деления этого числа на два. Появление нулевой цифры пускает рекурсивный алгоритм по первому (чётному) пути, что добавляет одно лишнее умножение. Цифра один выбирает нечётную ветвь алгоритма, что требует двух дополнительных умножений.

Мы разберём, помимо наивной версии программы, не заслуживающей отдельного разговора из-за её тривиальности, ещё две: рекурсивную и итеративную. Оба варианта основаны на быстром методе возведения в степень.

Раньше мы обсуждали преимущества нерекурсивных алгоритмов перед рекурсивными. Было бы заманчиво реализовать быстрое возведение в степень без рекурсии, при помощи одного цикла. Эта задача оказывается не такой простой, как хотелось бы. Нам стоит вооружиться методом, который позволял бы строить циклы не в результате божественного откровения (оно посещает нас довольно редко), а целенаправленно. Метод построения цикла при помощи инварианта - как раз то, что нам сейчас нужно.

Цель каждой команды в программе - приближать нас к решению поставленной задачи, то есть к ситуации, когда нужные переменные получат наконец нужные, правильно вычисленные значения. Единственная возможность достичь такой цели - менять значения переменных на новые, это делается путём присваивания. Посмотрим с этой точки зрения на команды, образующие тело цикла.

Пусть в программе задействован набор переменных X = x y … z . Назовём его состоянием программы . Цикл считается правильным, если в результате его работы выполнено нужное соотношение между переменными. Под соотношением понимается некоторое утверждение про переменные. Что значит утверждение? Рассмотрим функцию G ⁡ X , зависящую от состояния, и принимающую логическое значение. Равенство G ⁡ X = да означает, что утверждение выполняется, а в противном случае не выполняется. Функцию G будем называть целевой функцией цикла .

Тело цикла состоит из команд, присваивающих переменным X новые значения F ⁡ X: X ← F ⁡ X Таким образом строится рекуррентная последовательность состояний программы. Цель цикла достигнута, когда целевая функция примет истинное значение, так что в качестве условия цикла можно взять выражение ¬ G ⁡ X: цикл пока ¬ G ⁡ X X ← F ⁡ X конец цикла Мы предполагаем, что к моменту входа в цикл переменные X имели начальные значения X 0 .

Зачастую бывает неудобно вычислять условие завершения цикла G ⁡ X . Тогда, если повезёт, можно попытаться подобрать более сильное условие Q ⁡ X (то есть такое, что для всех X выполняется Q ⁡ X ⇒ G ⁡ X), которое проще вычислить.

Весь этот формализм не отвечает на вопросы о том, как найти преобразование F такое, чтобы цикл рано или поздно завершился, и как построить условие окончания цикла Q ⁡ X . Метод инвариантов помогает найти и преобразование, и условие.

Ключевую роль в методе играет инвариант цикла - ещё одна функция состояния, принимающая логические значения. Функция I ⁡ X называется инвариантом цикла, если выполнены условия:

I ⁡ X 0 - инвариант принимает истинное значение в начальном состоянии;

I ⁡ X ⇒ I ⁡ F ⁡ X - истинность инварианта сохраняется при проходе цикла;

I ⁡ X ∧ Q ⁡ X ⇒ G ⁡ X - одновременная истинность инварианта и условия окончания цикла влекут истинность целевого условия.

Если перед входом в цикл позаботиться о выполнении условия I ⁡ X и подобрать преобразование F ⁡ X , при котором сохраняется истинность инварианта, а цикл когда-нибудь завершится, цель будет достигнута по завершении цикла.

От абстрактных идей пора перейти к конкретным примерам. Построим алгоритм наивного вычисления степени p = x n .

Предусмотрим в программе набор переменных X = p x n . Их начальные значения (перед входом в цикл) равны X 0 = p 0 x 0 n 0 . Значения x 0 и n 0 являются входными параметрами алгоритма.

Придумаем цикл, по завершении которого переменная p получит значение x 0 n 0 , так что в качестве целевой функции примем G ⁡ p x n = p = x 0 n 0 .

Простейший (но отнюдь не самый быстрый) алгоритм сводит задачу о возведении в степень n к задаче о возведении в степень n − 1 , так что в цикле переменная n будет уменьшаться на единицу до своего обнуления. Поэтому условием окончания сделаем Q ⁡ p x n = n = 0 .

Теперь нужно подобрать инвариант. Пусть в теле цикла переменным p x n присваиваются новые значения p ′ x ′ n ′ , причём, как мы решили ранее, n ′ = n − 1 . Нетрудно проверить, что функция I ⁡ p x n = x 0 n 0 = p ⁢ x n годится на роль инварианта.

Действительно, I ⁡ p 0 x 0 n 0 = x 0 n 0 = p 0 ⁢ x 0 n 0 истинно, если положить p 0 = 1 . Второе условие, которому должен удовлетворять инвариант, также выполнено. Поскольку должно выполняться I ⁡ p x n ⇒ I ⁡ p ′ x ′ n ′ , то есть x 0 n 0 = p ⁢ x n ⇒ x 0 n 0 = p ′ ⁢ x ′ n − 1 , достаточно положить p ′ = p ⁢ x и x ′ = x , чтобы обеспечить инвариантность. Наконец, проверим третье условие, I ⁡ p x n ∧ Q ⁡ p x n ⇒ Q ⁡ p x n , то есть x 0 n 0 = p ⁢ x n ∧ n = 0 ⇒ p = x 0 n 0 . Очевидно, и оно выполняется. Проверяя условия, мы заодно нашли преобразования, происходящие в теле цикла.

Мы пришли к алгоритму p ← 1 цикл пока n ≠ 0 p n ← p ⁢ x n − 1 конец цикла

Читатель, возможно, недоумевает, зачем понадобились столь сложная подготовка для получения столь очевидного алгоритма. Возможно, быстрый вариант итеративного алгоритма более убедительно продемонстрирует мощь метода инвариантов.

Отличие быстрого алгоритма от наивного состоит в том, что в цикле переменная n вместо того, чтобы уменьшаться на единицу, уменьшается примерно вдвое. Точнее, если n чётно, оно делится пополам, а если нечётно - уменьшается на единицу и затем делится пополам. Понятно, что со временем n обратится в нуль, и это станет, как и в наивном алгоритме, условием завершения цикла.

Возьмём без изменений из наивного алгоритма инвариант I ⁡ p x n = x 0 n 0 = p ⁢ x n , и станем добиваться, чтобы выполнялось I ⁡ p x n ⇒ I ⁡ p ′ x ′ n ′ , где на этот раз n ′ = n 2 при чётном n , n − 1 2 при нечётном n . Тогда придётся обеспечить выполнение условия x 0 n 0 = p ⁢ x n ⇒ x 0 n 0 = p ′ ⁢ x ′ n 2 при чётном n , x 0 n 0 = p ′ ⁢ x ′ n − 1 2 при нечётном n , то есть p ⁢ x n = p ′ ⁢ x ′ n 2 при чётном n , p ′ ⁢ x ′ n − 1 2 при нечётном n . Чтобы это равенство выполнялось, достаточно положить p ′ = p при чётном n , p ⁢ x при нечётном n , x ′ = x 2 .

Результатом наших изысканий стал алгоритм p ← 1 цикл пока n ≠ 0 если n mod 2 = 1 p ← p ⁢ x n ← n − 1 конец если x ← x 2 n ← n 2 конец цикла

Следует признаться, что этот алгоритм мы первоначально составили, не прибегая к методу инвариантов. Программа хорошо работала, но, несмотря на её краткость, оказалась трудной для понимания. Мы никак не могли подобрать нужных слов, чтобы объяснить её читателю и доказать её правильность. И только метод инвариантов дал и объяснение, и доказательство.

Не стоит считать, что метод инвариантов делает создание любого цикла рутинной задачей. Остаётся ещё большой простор для творчества. Например, построение инварианта во многих случаях является не самым очевидным делом. Поэтому расскажем, какие соображения привели нас к инварианту I ⁡ p x n = x 0 n 0 = p ⁢ x n . В поисках инвариантного соотношения между переменными программы, сохраняющего истинность при повторениях тела цикла, мы составили таблицу значений этого набора переменных. Для примера мы выбрали возведение двойки в тринадцатую степень: p x n 1 2 13 2 4 6 2 16 3 32 256 1 8192 65536 0

Закономерность, выполняемая в каждой строке таблицы, была быстро найдена: значение выражения p ⁢ x n оказалось одним и тем же, и равным как раз 2 13 .

Оказывается, задача о быстром возведении числа в степень n тесно связана вот с какой задачей. Представим вычислительную машину, которая располагает лишь одним регистром (ячейкой памяти), способным хранить целое неотрицательное число. Набор команд этой воображаемой машины содержит только две инструкции: D удваивает содержимое регистра (от слова Double - удвоить) и I увеличивает регистр на единицу (Increment - увеличить). Изначально регистр содержит ноль. Требуется найти наиболее короткую программу для машины, после выполнения которой в регистре окажется число n . Программа - это некоторая конечная последовательность инструкций D и I .

Для любого заданного n существует бесконечно много программ. К примеру, всегда годится программа I I I … I (всего n инструкций I). Кроме того, приписывание любого количества инструкций D к началу правильной программы, очевидно, не меняет её правильность.

Получается своеобразная система счисления: каждому целому неотрицательному числу можно поставить в соответствие программу для его получения - слово над алфавитом из двух букв (или лучше сказать, цифр), D и I . Недостатком этой системы счисления является её многозначность: для каждого числа найдётся бесконечно много представлений. Можно попытаться устранить этот недостаток, если среди всевозможных представлений выбирать самое короткое. Но даже самое короткое представление не является единственным. Понятно, кратчайшее представление следует искать среди начинающихся с I , так как если оно начинается с D , его можно укоротить, выкинув это D . Теперь заметим, что если I I … - кратчайшее представление, то I D … - также кратчайшее представление (увеличение единицы на единицу равносильно её удвоению). При всех остальных значениях регистра удвоение даёт больший результат, чем прибавление единицы. Эту единственную оставшуюся неоднозначность устраняем, потребовав дополнительно, чтобы в представлении не было подряд двух «цифр» I . Полученное представление назовём каноническим .

Оказывается, каноническое представление можно легко получить из двоичной записи числа n: нужно каждый ноль заменить на «цифру» D , а каждую единицу - на «цифры» D I . После того, как это будет сделано, следует отбросить «цифру» D из начала полученной программы, если она там окажется. Например, для n = 13 = 1101 2 получается программа I D I D D I . И действительно, 13 = 0 + 1 ⋅ 2 + 1 ⋅ 2 ⋅ 2 + 1 .

Но какое же всё это имеет отношение к быстрому возведению в степень? Пусть имеется некоторое представление показателя степени n . Это значит, что n получается из нуля в результате последовательных увеличений на единицу или удвоений. Но прибавление единицы к показателю степени равносильно домножению всей степени на x , а удвоение показателя - возведению степени в квадрат. Если в нашем распоряжении имеется готовое представление показателя степени, получаем алгоритм p ← 1 цикл для каждой цифры δ из представления n если δ = I p ← p ⁢ x иначе p ← p 2 конец если конец цикла Беда в том, что для получения «цифр» представления прежде придётся устроить другой цикл. Совместить оба цикла будет проблематично, поскольку «цифры» нужны в порядке их записи, то есть слева направо. При этом их гораздо проще получать справа налево (точно так же, как и цифры двоичной записи числа). Наше решение, ради которого мы занялись методом инвариантов, обходит эту трудность. Тот цикл неявно получает «цифры» представления показателя степени справа налево и в зависимости от очередной цифры выполняет нужные действия: цикл пока n ≠ 0 если n mod 2 = 1 I n ← n − 1 иначе D n ← n 2 конец если конец цикла Здесь в случае I следует выполнить команду p ← p ⁢ x , а в случае D - команду x ← x 2 . Разумеется, перед циклом нужно присваивание p ← 1 . Получившийся алгоритм, как легко видеть, равносилен созданному ранее.

Основная трудность нашей задачи заключалась в создании алгоритма. Теперь, когда алгоритмы готовы, не составит никакого труда переложить их на Perl. В связи с этим мы опускаем раздел «Разработка» и сразу переходим к готовым программам.

Возведение в квадрат трехзначных чисел - впечатляющее проявление искусности в ментальном фокусничестве. Так же как при возведении в квадрат двузначного числа выполняется его округление в большую или меньшую сторону для получения кратного 10, для возведения трехзначного числа в квадрат его нужно округлить в большую или меньшую сторону для получения кратного 100. Возведем в квадрат число 193.

Путем ок ругления 193 до 200 (второй сомножитель стал равным 186) задача типа «3 на 3» преобразовалась в более простую типа «3 на 1», так как 200 х 186 - это всего лишь 2 х 186 = 372 с двумя нулями в конце. Почти готово! Теперь все, что нужно сделать, это прибавить 7 2 = 49 и получить ответ - 37 249.

Попробуем возвести в квадрат 706.

При округлении числа 706 до 700 необходимо еще и изменить это же число на 6 в большую сторону для получения 712.

Так как 712 х 7 = 4984 (простая задача типа «3 на 1»), 712 х 700 = = 498 400. Прибавив 6 2 = 36, получаем 498 436.

Последние примеры не так уж страшны, потому что не включают в себя сложения как такового. Кроме того, вы наизусть знаете, чему равняются 6 2 и 7 2 . Возводить в квадрат число, которое отстоит от кратного 100 больше чем на 10 единиц, значительно труднее. Попробуйте свои силы с 314 2 .

В этом примере число 314 уменьшилось на 14 ради округления до 300 и увеличилось на 14 до 328. Умножаем 328 х 3 = 984 и добавляем два нуля в конце, чтобы получить 98 400. Затем прибавляем квадрат 14. Если вам мгновенно приходит на ум (благодаря памяти или быстрым вычислениям), что 14 2 = 196, то вы в хорошей форме. Далее просто сложите 98 400 + 196 для получения окончательного ответа 98 596.

Если вам нужно время для подсчета 14 2 , повторите «98 400» несколько раз, прежде чем продолжить. Иначе можно вычислить 14 2 = 196 и забыть, к какому числу нужно прибавить произведение.

Если у вас есть аудитория, которую вы хотели бы впечатлить, можете произнести вслух «279 000», прежде чем найдете 292. Но такое не пройдет в случае каждой решаемой задачи.

Например, попытайтесь возвести в квадрат 636.

Теперь ваш мозг по-настоящему заработал, не правда ли?

Не забывайте повторять «403 200» самому себе несколько раз, пока будете возводить в квадрат привычным способом 36, чтобы получить 1296. Самое сложное - суммировать 1296 + 403 200. Делайте это по одной цифре за раз, слева направо, и получите ответ 404 496. Даю слово, что, как только вы лучше ознакомитесь с возведением в квадрат двузначных чисел, задачки с трехзначными значительно упростятся.

Вот еще более сложный пример: 863 2 .

Первая проблема - надо решить, какие числа перемножать. Несомненно, одно из них будет 900, а другое - больше 800. Но какое именно? Это можно рассчитать двумя способами.

1. Сложный способ: разность между 863 и 900 составляет 37 (дополнение для 63), вычитаем 37 из 863 и получаем 826.

2. Легкий способ: удваиваем число 63, получаем 126, теперь последние две цифры этого числа прибавляем к числу 800, что в итоге даст 826.

Вот как работает легкий способ. Поскольку оба числа имеют одинаковую разность с числом 863, их сумма должна равняться удвоенному числу 863, то есть 1726. Одно из чисел 900, значит, другое будет равно 826.

Затем проводим следующие вычисления.

Если вам трудно вспомнить число 743 400 после возведения в квадрат числа 37, не расстраивайтесь. В следующих главах вы узнаете систему мнемотехники и научитесь запоминать такие числа.

Попробуйте свои силы на самой трудной пока задаче - на возведении в квадрат числа 359.

Для получения 318 либо отнимите 41 (дополнение для 59) от 359, либо умножьте 2 х 59 = 118 и используйте последние две цифры. Далее умножьте 400 х 318 = 127 200. Прибавление к этому числу 412 = 1681 даст в сумме 128 881. Вот и все! Если вы сделали все правильно с первого раза, вы молодец!

Завершим этот раздел большой, но легкой задачей: вычислим 987 2 .

УПРАЖНЕНИЕ: ВОЗВЕДЕНИЕ В КВАДРАТ ТРЕХЗНАЧНЫХ ЧИСЕЛ

1. 409 2 2. 805 2 3. 217 2 4. 896 2

5. 345 2 6. 346 2 6. 276 2 8. 682 2

9. 413 2 10. 781 2 11. 975 2

Что за дверью номер 1?

Математической банальностью 1991 года, которая поставила всех в тупик, оказалась статья Мэрилин Савант - женщины с самым высоким в мире IQ (что зарегистрировано в Книге рекордов Гиннесса) - в журнале Parade. Этот парадокс стал известен как «проблема Монти Холла», и заключается он в следующем.

Вы участник шоу Монти Холла «Давайте совершать сделки» (Let’s Make a Deal). Ведущий дает вам возможность выбрать одну из трех дверей, за одной из которых находится большой приз, за двумя другими - козы. Допустим, вы выбираете дверь № 2. Но прежде чем показать, что скрывается за этой дверью, Монти открывает дверь № 3. Там коза. Теперь в своей дразнящей манере Монти спрашивает вас: вы хотите открыть дверь № 2 или рискнете посмотреть, что находится за дверью № 1? Что вам следует сделать? Если предположить, что Монти собирается подсказать вам, где нет главного приза, то он всегда будет открывать одну из «утешительных» дверей. Это оставляет вас перед выбором: одна дверь с большим призом, а вторая - с утешительным. Сейчас ваши шансы составляют 50 на 50, не так ли?

А вот и нет! Шанс, что вы правильно выбрали в первый раз, по-прежнему 1 к 3. Вероятность того, что большой приз окажется за другой дверью, увеличивается до 2/3, потому что вероятности в сумме должны давать 1.

Таким образом, изменив свой выбор, вы удвоите шансы на выигрыш! (В задаче предполагается, что Монти всегда будет давать игроку возможность сделать новый выбор, показывая «невыигрышную» дверь, и, когда ваш первый выбор окажется правильным, откроет «невыигрышную» дверь наугад.) Поразмышляйте об игре с десятью дверями. Пусть после вашего первого выбора ведущий откроет восемь «невыигрышных» дверей. Здесь ваши инстинкты, скорее всего, потребуют поменять дверь. Люди обычно ошибаются, думая, что если Монти Холл не знает, где главный приз, и открывает дверь № 3, за которой оказывается коза (хотя мог бы быть и приз), то дверь № 1 с вероятностью в 50 процентов будет нужной. Такое рассуждение противоречит здравому смыслу, тем не менее Мэрилин Савант получила груды писем (многие от ученых, и даже математиков), в которых говорилось, что ей не следовало писать о математике. Конечно, все эти люди были неправы.

Рассмотрим теперь возведение в квадрат двучлена и, применяясь к арифметической точке зрения, будем говорить о квадрате суммы, т. е. (a + b)² и о квадрате разности двух чисел, т. е. (a – b)².

Так как (a + b)² = (a + b) ∙ (a + b),

то найдем: (a + b) ∙ (a + b) = a² + ab + ab + b² = a² + 2ab + b², т. е.

(a + b)² = a² + 2ab + b²

Этот результат полезно запомнить и в виде вышеописанного равенства и словами: квадрат суммы двух чисел равен квадрату первого числа плюс произведение двойки на первое число и на второе число, плюс квадрат второго числа.

Зная этот результат, мы можем сразу написать, напр.:

(x + y)² = x² + 2xy + y²
(3ab + 1)² = 9a² b² + 6ab + 1

(x n + 4x)² = x 2n + 8x n+1 + 16x 2

Разберем второй из этих примеров. Нам требуется возвести в квадрат сумму двух чисел: первое число есть 3ab, второе 1. Должно получиться: 1) квадрат первого числа, т. е. (3ab)², что равно 9a²b²; 2) произведение двойки на первое число и на второе, т. е. 2 ∙ 3ab ∙ 1 = 6ab; 3) квадрат 2-го числа, т. е. 1² = 1 – все эти три члена должно сложить между собою.

Совершенно также получим формулу для возведения в квадрат разности двух чисел, т. е. для (a – b)²:

(a – b)² = (a – b) (a – b) = a² – ab – ab + b² = a² – 2ab + b².

(a – b)² = a² – 2ab + b² ,

т. е. квадрат разности двух чисел равен квадрату первого числа, минус произведение двойки на первое число и на второе, плюс квадрат второго числа .

Зная этот результат, мы можем сразу выполнять возведение в квадрат двучленов, представляющих с точки зрения арифметики разность двух чисел.

(m – n)² = m² – 2mn + n²
(5ab 3 – 3a 2 b) 2 = 25a 2 b 6 – 30a 3 b 4 + 9a 4 b 2

(a n-1 – a) 2 = a 2n-2 – 2a n + a 2 и т. п.

Поясним 2-ой пример. Здесь мы имеем в скобках разность двух чисел: первое число 5ab 3 и второе число 3a 2 b. В результате должно получиться: 1) квадрат первого числа, т. е. (5ab 3) 2 = 25a 2 b 6 , 2) произведение двойки на 1-ое и на 2-ое число, т. е. 2 ∙ 5ab 3 ∙ 3a 2 b = 30a 3 b 4 и 3) квадрат второго числа, т. е. (3a 2 b) 2 = 9a 4 b 2 ; первый и третий члены надо взять с плюсом, а 2-ой с минусом, получим 25a 2 b 6 – 30a 3 b 4 + 9a 4 b 2 . В пояснение 4-го примера заметим лишь, что 1) (a n-1)2 = a 2n-2 … надо показателя степени умножить на 2 и 2) произведение двойки на 1-ое число и на 2-ое = 2 ∙ a n-1 ∙ a = 2a n .

Если встать на точку зрения алгебры, то оба равенства: 1) (a + b)² = a² + 2ab + b² и 2) (a – b)² = a² – 2ab + b² выражают одно и тоже, а именно: квадрат двучлена равен квадрату первого члена, плюс произведение числа (+2) на первый член и на второй, плюс квадрат второго члена. Это ясно, потому что наши равенства можно переписать в виде:

1) (a + b)² = (+a)² + (+2) ∙ (+a) (+b) + (+b)²
2) (a – b)² = (+a)² + (+2) ∙ (+a) (–b) + (–b)²

В некоторых случаях так именно и удобно толковать полученные равенства:

(–4a – 3b)² = (–4a)² + (+2) (–4a) (–3b) + (–3b)²

Здесь возводится в квадрат двучлен, первый член которого = –4a и второй = –3b. Далее мы получим (–4a)² = 16a², (+2) (–4a) (–3b) = +24ab, (–3b)² = 9b² и окончательно:

(–4a – 3b)² = 6a² + 24ab + 9b²

Возможно было бы также получить и запомнить формулу для возведения в квадрат трехчлена, четырехчлена и вообще любого многочлена. Однако, мы этого делать не будем, ибо применять эти формулы приходится редко, а если понадобится какой-либо многочлен (кроме двучлена) возвести в квадрат, то станем сводить дело к умножению. Например:

31. Применим полученные 3 равенства, а именно:

(a + b) (a – b) = a² – b²
(a + b)² = a² + 2ab + b²
(a – b)² = a² – 2ab + b²

к арифметике.

Пусть надо 41 ∙ 39. Тогда мы можем это представить в виде (40 + 1) (40 – 1) и свести дело к первому равенству – получим 40² – 1 или 1600 – 1 = 1599. Благодаря этому, легко выполнять в уме умножения вроде 21 ∙ 19; 22 ∙ 18; 31 ∙ 29; 32 ∙ 28; 71 ∙ 69 и т. д.

Пусть надо 41 ∙ 41; это все равно, что 41² или (40 + 1)² = 1600 + 80 + 1 = 1681. Также 35 ∙ 35 = 35² = (30 + 5)² = 900 + 300 + 25 = 1225. Если надо 37 ∙ 37, то это равно (40 – 3)² = 1600 – 240 + 9 = 1369. Подобные умножения (или возведение в квадрат двузначных чисел) легко выполнять, при некотором навыке, в уме.

Как известно, площадь прямоугольника вычисляется перемножением длин двух его различных сторон. У квадрата все стороны равны, поэтому нужно перемножить сторону саму на себя. Отсюда и возникло выражение "возвести в квадрат". Пожалуй, самый простой способ возвести любое число в квадрат – взять обычный калькулятор и перемножить нужное число само на себя. Если под рукой нет калькулятора – можно использовать встроенный калькулятор в мобильном телефоне. Для более продвинутых пользователей можно посоветовать воспользоваться приложением Office Microsoft Excel, особенно, если подобные вычисления нужно проводить достаточно часто. Для этого необходимо выделить произвольную ячейку, например G7, и вписать в нее формулу =F7*F7. Далее в ячейку F7 ввести любое число, а в ячейке G7 получить результат.

Как возвести в квадрат число, последняя цифра которого 5. Для возведения в квадрат этого числа нужно отбросить последнюю цифру числа. Полученное число необходимо перемножить с числом на 1 большим. Затем нужно дописать число 25 справа после полученного результата. Пример. Пусть требуется получить квадрат числа 35. После того, как будет отброшена последняя цифра 5, остается число 3. Добавляется 1- получается число 4.3х4=12. Дописывается 25 и получается результат 1225. 35х35=3*4 дописать 25=1225.

Как возвести в квадрат число, последняя цифра которого 6. Этот алгоритм подойдет для тех, кто разобрался с вопросом, как возвести в квадрат число, оканчивающиеся на цифру 5. Как известно из математики, квадрат двучлена можно рассчитать по формуле (А+В) х(А+В) =АхА+2хАхВ + ВхВ. В случае с возведением в квадрат числа A, последняя цифра которого 6, это число можно предтставить как А=В+1, где В - число, которое на 1 меньше числа А, поэтому его последняя цифра - 5. В этом случае формулу можно представить в более простом виде (В+1) х(B+1) =ВхВ+2хВх1+1х1=ВхВ + 2хВ+1. Пусть для примера это число будет 16. Решение 16 х16=15 х15+2х15 х1+1х1=225+30+1=256Устное правило: для того, чтобы найти квадрат числа, заканчивающегося на 6: нужно предыдущее число возвести в квадрат, добавить два раза предыдущее число и добавить 1.

Как возвести в квадрат числа от 11 до 29. Для возведения в квадрат чисел от 11 до 19, нужно к исходному числу добавить число единиц, получившийся результат умножить на 10 и приписать справа возведенное в квадрат число единиц. Пример. Возвести в квадрат 13. Число единиц в этом числе – 3. Далеетребуется вычислить промежуточное число 13+3=16. Затем умножить его на 10. Получается 160. Квадрат числа единиц 3х3=9. Итоговый результат 169. Для чисел третьего десятка применяется аналогичный алгоритм, только умножать нужно на 20 и квадрат единиц прибавлять, а не приписывать. Пример. Вычислить квадрат числа 24. Находится число единиц – 4. Вычисляется промежуточное число – 24+4=28. После умножения на 20 получается 560. Квадрат числа единиц 4х4=16. Итоговый результат 560+16=576.

Как возвести в квадрат числа от 40 до 60. Алгоритм достаточно прост. Сначала нужно найти, насколько данное число больше или меньше середины диапазона числа 50. К полученному результату добавить (если число больше 50) или вычесть (если число меньше 50) 25. Полученную сумму (или разность) умножить на 100. К полученному результату добавить квадрат разности между числом, квадрат которого нужно найти, и числом 50. Пример: нужно найти квадрат числа 46. Разность 50-46=4.5-4=1.1х100=0.4х4=6.0+16=2116. Итог: 46х46=2116.

Еще один прием как возвести в квадрат числа от 40 до 60. Для того, чтобы вычислить квадрат числа от 40 до 49, необходимо число единиц увеличить на 15, полученный результат умножить на 100, справа от него приписать квадрат разности между последней цифрой заданного числа и 10. Пример. Вычислить квадрат числа 42. Число единиц этого числа - 2. Добавляется 15: 2+15=17. Находится разность этого же числа единиц и 10. Она равна 8. Возводится в квадрат: 8х8=64. Число 64 приписывается справа к предыдущему результату 17. Получается итоговое число 1764. Если число находится в диапазоне от 51 до 59, то для возведения его в квадрат используется тот же алгоритм, только к числу единиц нужно прибавлять 25.

Как возводить в квадрат в уме любое двузначное число. Если человек знает, как возводить в квадрат однозначные числа, другими словами - знает таблицу умножения, то у него не возникнет проблем при вычислении квадратов двузначных чисел. Пример. Нужно возвести двузначное число 36 в квадрат. Это число умножается на количество своих десятков. 36х3=8. Далее нужно найти произведение цифр числа: 3х6=18. Затем сложить оба результата. 108+18=126. Следующий шаг: нужно возвести в квадрат единицы исходного числа: 6х6=36. В полученном произведении определяется количество десятков – 3 и добавляется к предыдущему результату: 126+3=129. И последний шаг. Справа от полученного результата приписывается количество единиц исходного числа, в данном примере - 6. Конечный результат – число 1296.

Существует множество способов как возводить в квадрат различные числа. Некоторые из приведенных алгоритмов достаточно простые, некоторые – достаочно громоздкие и на первый взгляд непонятные. Многими из них люди пользуются веками. Каждый человек может сам разработать свои собственные более понятные и интересные алгоритмы. Но если есть проблемы с устным счетом или возникли другие трудности – придется привлечь технические средства.