WikiDer > Кости Напьера - Википедия

Napiers bones - Wikipedia
Необычный набор костей Напьера XVIII века, в котором числа расположены на вращающихся цилиндрах, а не на стержнях квадратного сечения.

Кости Напьера это счетное устройство с ручным управлением, созданное Джон Напье из Мерчистон, Шотландия для расчет продуктов и частные номеров. Метод был основан на решеточное умножение, а также называется «рабдология», это слово придумал Нэпьер. Напье опубликовал свою версию в 1617 г. в Rabdologiæ,[1] напечатано в Эдинбург, посвященный своему покровителю Александр Сетон.

Используя таблицы умножения, встроенные в стержни, умножение можно свести к операциям сложения, а деление - к вычитаниям. Расширенное использование стержней может извлечь квадратные корни. Кости Напьера не такие, как логарифмы, с которым также связано имя Напьера, но основанные на разрезанных таблицах умножения.

В комплект устройства обычно входит основная плата с бортиком; пользователь помещает стержни Напье внутрь обода для умножения или деления. Левый край доски разделен на девять квадратов с цифрами от 1 до 9. В оригинальном дизайне Napier стержни сделаны из металла, дерева или слоновой кости и имеют квадратное поперечное сечение. На каждом стержне выгравирована таблица умножения на каждой из четырех граней. В некоторых более поздних конструкциях стержни были плоскими и имели две таблицы или только одну выгравированную на них, и были сделаны из пластика или плотного картона. Набор таких костей можно было бы вложить в переносную сумку.

Лицевая сторона стержня отмечена девятью квадратами. Каждый квадрат, кроме верхнего, делится на две половины диагональной линией от левого нижнего угла до правого верхнего. Квадраты содержат простую таблицу умножения. Первая содержит одну цифру, которую Нейпир назвал «одиночной». Остальные содержат числа, кратные единице, а именно удвоенную единицу, троекратную единицу и так далее до девятого квадрата, содержащего в девять раз больше числа в верхнем квадрате. Однозначные числа записываются в правом нижнем треугольнике, а другой треугольник остается пустым, а двузначные числа записываются цифрами по обе стороны от диагонали.

Если таблицы хранятся на односторонних стержнях, необходимо 40 стержней для умножения 4-значных чисел - поскольку числа могут иметь повторяющиеся цифры, необходимы четыре копии таблицы умножения для каждой из цифр от 0 до 9. Если используются квадратные стержни, 40 таблиц умножения могут быть нанесены на 10 стержней. Напье подробно описал схему расположения столов так, чтобы ни одна из стержней не имела двух копий одной и той же таблицы, что позволило представить каждое возможное четырехзначное число 4 из 10 стержней. Набор из 20 стержней, состоящий из двух идентичных копий 10 стержней Napier, позволяет производить вычисления с числами до восьми цифр, а набор из 30 стержней может использоваться для 12-значных чисел.

Умножение

Простейший вид умножения - числа с несколькими цифрами на число с одной цифрой - выполняется путем размещения стержней, представляющих многозначное число, в рамке напротив левого края. Ответ считывается в строке, соответствующей однозначному номеру, который отмечен слева от рамки, с небольшим добавлением, как объяснено в примерах ниже.

При умножении многозначного числа на другое многозначное число выставляется большее число на стержнях в рамке. Устройство выдает промежуточный результат для умножения на каждую цифру меньшего числа. Они записываются, а конечный результат вычисляется ручкой и бумагой.

Чтобы продемонстрировать, как использовать кости Напьера для умножения, ниже объясняются три примера возрастающей сложности.

Пример 1 - умножение на маленькое однозначное число

В первом примере вычисляется 425 × 6.

Кости Непьера для 4, 2 и 5 помещаются на доску. Кости для большего числа умножаются. В качестве примера значений, полученных из таблиц умножения, значения седьмой строки 4-й кости будут 8, происходит от 7 × 4 = 28. В приведенном ниже примере для 425 × 6, кости показаны красным, желтым и синим цветом соответственно.

Первый шаг решения 485 × 7

Самый левый столбец перед любой из костей может быть представлен как 1 кость, которая будет иметь пробел или ноль в верхнем левом углу, разделенные диагональной линией, поскольку 1 × 1 = 01, 1 × 2 = 02, 1 х 3 = 03и т.д. Выбирается небольшое число, обычно от 2 до 9, чтобы умножить большое число. В этом примере небольшое число, которое умножается на, равно 6. Строка, в которой находится это число, является единственной строкой, необходимой для выполнения оставшихся вычислений, и поэтому обычно изолирована от остальной части доски для ясности.

Второй шаг решения 425 × 6

Расчет можно было начать с любого конца. Значения, разделенные вертикальными линиями, складываются для образования цифр продуктов. Последнее число, найденное в этом горизонтальном ряду костей, никогда не потребует добавления, так как оно всегда изолируется последней строкой. Он всегда находится на «своем месте» в продукте. Для остальных цифр суммируются два соседних номера костей, разделенные вертикальными линиями. В этом примере четыре цифры, поскольку есть четыре группы значений костей, разделенных линиями. Цифры продукта идут в том же порядке, в котором они рассчитываются. Помимо последней (или первой) цифры, цифры продукта будут представлять собой сумму двух значений, взятых из двух разных костей.

Третий шаг решения 425 × 6

Значения костей добавляются, чтобы получить цифры продукта. Третья цифра продукта из желтой и синей костей имеет соответствующие значения зеленого цвета. Каждая сумма написана внизу. Результат суммирования слева направо дает окончательный ответ 2550. Следовательно, решение умножения 425 на 6 равно 2550.

Пример 2 - умножение на большее однозначное число

При умножении на более крупные одиночные цифры обычно при добавлении диагонального столбца сумма чисел дает число, равное 10 или больше.

Во втором примере вычисляется 6785 × 8.

Как и в примере 1, на доску помещаются кости, соответствующие наибольшему числу. В этом примере кости 6, 7, 8 и 5 были размещены в правильном порядке, как показано ниже.

Первый шаг решения 6785 × 8

В первом столбце находится число, на которое умножается наибольшее число. В этом примере номер был 8. Для оставшихся вычислений будет использоваться только строка 8, поэтому остальная часть доски очищена для ясности в объяснении оставшихся шагов.

Второй шаг решения 6785 × 8

Как и раньше, оценивается каждый диагональный столбец, начиная с правой стороны. Если сумма диагонального столбца равна 10 или больше, необходимо перенести разряд десятков этой суммы и добавить вместе с числами в соседнем левом столбце, как показано ниже.

Третий шаг решения 6785 × 8

После оценки каждого диагонального столбца вычисленные числа читаются слева направо для получения окончательного ответа; в этом примере было произведено 54280.

Следовательно: умножение 6785 на 8 дает 54280.

Пример 3 - умножение на многозначное число

В третьем примере вычисляется 825 × 913.

Кости, соответствующие ведущему числу, помещаются на доску. В этом примере кости 8, 2 и 5 были размещены в правильном порядке, как показано ниже.

Первый шаг решения 825 × 913

Для умножения на многозначное число просматривается несколько строк. В этом примере строки для 9, 1 и 3 были удалены с доски для ясности.

Второй шаг решения 825 × 913

Каждая строка оценивается индивидуально, и каждый диагональный столбец добавляется, как описано в предыдущих примерах. Суммы читаются слева направо, в результате чего получаются числа, необходимые для последующих вычислений сложения. В этом примере строка 9, строка 1 и строка 3 оценивались отдельно для получения результатов, показанных ниже.

Третий шаг решения 825 × 913

Начиная с самой правой цифры второго числа, суммы помещаются из строк в последовательном порядке, если смотреть справа налево друг под другом, с использованием 0 в качестве заполнителя.

   2475   8250 742500

Строки и заполнители суммируются для получения окончательного ответа.

    2475    8250+ 742500  753225

В этом примере окончательный ответ был 753225. Следовательно: Решение умножения 825 на 913 - 753225.

Разделение

Деление выполняется аналогичным образом. Чтобы разделить 46785399 на 96431, полосы делителя (96431) помещаются на плату, как показано на рисунке ниже. Используя счеты, все произведения делителя от 1 до 9 находятся путем чтения отображаемых чисел. Обратите внимание, что дивиденд состоит из восьми цифр, тогда как частичные продукты (за исключением первого) имеют шесть цифр. Таким образом, две последние цифры числа 46785399, а именно "99", временно игнорируются, и остается число 467853. Затем определяется наибольшее частичное произведение, которое меньше усеченного делимого. В данном случае - 385724. Две вещи должны быть отмечены вниз, как видно на диаграмме: поскольку 385724 находится в строке «4» на счетах, цифра «4» отмечается вниз как крайняя левая цифра частного; частичный продукт, выровненный по левому краю, под исходным дивидендом также записывается. Два члена вычитаются, и остается 8212999. Те же шаги повторяются: число усекается до шести цифр, выбирается частичное произведение, непосредственно меньшее, чем усеченное число, номер строки записывается как следующая цифра частного, и частичное произведение вычитается из разницы, найденной в первом повторении. Процесс показан на схеме. Цикл повторяется до тех пор, пока результат вычитания не станет меньше делителя. Оставшееся число - это остаток.

Napier-example-3.png

Итак, в этом примере остается частное 485 с остатком 16364. Процесс обычно останавливается на этом, и в ответе используется дробная форма 485+16364/96431.

Для большей точности цикл продолжается, чтобы найти необходимое количество десятичных знаков. Десятичная точка помечается после последней цифры частного, а к остатку добавляется ноль, что оставляет 163640. Цикл продолжается, каждый раз добавляя ноль к результату после вычитания.

Извлечение квадратных корней

Для извлечения квадратного корня используется дополнительная кость, которая отличается от других тем, что имеет три столбца. В первом столбце находятся первые девять квадратных чисел, во втором - первые девять четных чисел, а в последнем - от 1 до 9.

Стержни Непьера с квадратной корневой костью
 123456789
101020304050607080901     2   1
202040608101214161804     4   2
303060912151821242709     6   3
404081216202428323616     8   4
505101520253035404525   10   5
606121824303642485436   12   6
707142128354249566349   14   7
808162432404856647264   16   8
909182736455463728181   18   9

Чтобы найти квадратный корень из 46785399, его цифры сгруппированы в две, начиная справа, так что это выглядит так:

46785399
Примечание: Число с нечетным числом цифр, например 85399, будет сгруппировано как 085399

Первой выбирается крайняя левая группа, в данном случае 46. Выбирается самый большой квадрат в квадратной корневой кости меньше 46, что составляет 36 из шестой строки. Первая цифра решения - 6, поскольку была выбрана шестая строка.

Затем на доске устанавливается число во втором столбце шестой строки квадратной корневой кости, 12.

Значение 36 в первом столбце шестой строки вычитается из 46, в результате остается 10.

Следующая группа цифр 78 добавляется рядом с 10; остается 1078.

На этом этапе плата и промежуточные расчеты должны выглядеть так:

 12
1010201     2   1
2020404     4   2
3030609     6   3
4040816     8   4
5051025   10   5
6061236   12   6
7071449   14   7
8081664   16   8
9091881   18   9
46 78 53 99    =    6       − 36         10 78

Числа в каждой строке «считываются», игнорируя второй и третий столбцы из кости квадратного корня; они записаны. (Например, шестая строка читается как: 061236 → 756).

Как и при умножении, показанном ранее, числа читаются справа налево и складываются диагональные числа сверху справа налево и снизу (6 + 0 = 6; 3 + 2 = 5; 1 + 6 = 7).

Найдено наибольшее число, меньшее текущего остатка, 1078 (из восьмой строки).

 12(ценить)
1010201     2   1121
2020404     4   2244
3030609     6   3369
4040816     8   4496
5051025   10   5625
6061236   12   6756
7071449   14   7889
8081664   16   81024
9091881   18   91161
46 78 53 99    =    6836         10 78       − 10 24            54

Как и раньше, добавляется 8, чтобы получить следующую цифру квадратного корня, а значение восьмой строки, 1024, вычитается из текущего остатка, 1078, чтобы получить 54. Второй столбец восьмой строки на квадратной корневой кости, 16, читается и номер выставляется на доске следующим образом.

Текущее число на доске - 12. Первая цифра 16 добавляется к 12, а вторая цифра 16 добавляется к результату. Итак, плата должна быть настроена на:

12 + 1 = 13 → добавить 6 → 136
Примечание: Если во втором столбце кости квадратного корня есть только одна цифра, она добавляется к текущему числу на доске.

Доска и промежуточные расчеты теперь выглядят так.

 136
101030601     2   1
202061204     4   2
303091809     6   3
404122416     8   4
505153025   10   5
606183636   12   6
707214249   14   7
808244864   16   8
909275481   18   9
46 78 53 99    =    68       − 36         10 78       − 10 24            54 53

И снова обнаруживается строка с наибольшим значением, меньшим, чем текущий частичный остаток, 5453. На этот раз это третья строка с 4089.

 136 
101030601     2   11361
202061204     4   22724
303091809     6   34089
404122416     8   45456
505153025   10   56825
606183636   12   68196
707214249   14   79569
808244864   16   810944
909275481   18   912321
46 78 53 99    =    68336         10 78       − 10 24            54 53          − 40 89            13 64

Следующая цифра квадратного корня - 3. Повторяются те же шаги, что и раньше, и 4089 вычитается из текущего остатка 5453, чтобы получить 1364 как следующий остаток. При перестановке доски во втором столбце квадратного корня кости будет 6, это одна цифра. Таким образом, 6 добавляется к текущему номеру на доске, 136, чтобы оставить 1366 на доске.

136 → добавить 6 → 1366
 1366
10103060601     2   1
20206121204     4   2
30309181809     6   3
40412242416     8   4
50515303025   10   5
60618363636   12   6
70721424249   14   7
80824484864   16   8
90927545481   18   9
46 78 53 99    =    683       − 36         10 78       − 10 24            54 53          − 40 89            13 64 99

Процесс повторяется снова. Теперь наибольшее значение на доске, меньшее, чем текущий остаток, 136499, составляет 123021 от девятой строки.

Чтобы получить ответ, часто не нужно находить значение каждой строки. Строку, в которой есть ответ, можно угадать, посмотрев на число на нескольких первых костях и сравнив его с несколькими первыми цифрами остатка. Но диаграммы показывают значение всех строк, чтобы было понятно.

9 добавляется к результату, а 123021 вычитается из текущего остатка.

 1366 
10103060601     2   113661
20206121204     4   227324
30309181809     6   340989
40412242416     8   454656
50515303025   10   568325
60618363636   12   681996
70721424249   14   795669
80824484864   16   8109344
90927545481   18   9123021
46 78 53 99    =    683936         10 78       − 10 24            54 53          − 40 89            13 64 99          − 12 30 21             1 34 78

Если все цифры были использованы, а остаток остался, то целая часть решена, но дробный бит все равно нужно найти.

Если целая часть решена, текущий результат возводится в квадрат (68392 = 46771921) должен быть наибольшим квадратом меньше 46785899.

Эта идея используется позже, чтобы понять, как работает методика, но может быть создано больше цифр.

Подобно нахождению дробной части в длинное деление, к остатку добавляются два нуля, чтобы получить новый остаток 1347800. Второй столбец девятой строки квадратной корневой кости равен 18, а текущее число на доске - 1366.

1366 + 1 → 1367 → добавить 8 → 13678

вычислено, чтобы установить на плате 13678.

Доска и промежуточные вычисления теперь выглядят следующим образом.

 13678
1010306070801     2   1
2020612141604     4   2
3030918212409     6   3
4041224283216     8   4
5051530354025   10   5
6061836424836   12   6
7072142495649   14   7
8082448566464   16   8
9092754637281   18   9
46 78 53 99.00    =    6839.       − 36         10 78       − 10 24            54 53          − 40 89            13 64 99          − 12 30 21             1 34 78 00

Девятая строка с 1231101 является наибольшим значением, меньшим, чем оставшаяся, поэтому первая цифра дробной части квадратного корня равна 9.

 13678 
1010306070801     2   1136781
2020612141604     4   2273564
3030918212409     6   3410349
4041224283216     8   4547136
5051530354025   10   5683925
6061836424836   12   6820716
7072142495649   14   7957509
8082448566464   16   81094304
9092754637281   18   91231101
46 78 53 99.00    =    6839.936         10 78       − 10 24            54 53          − 40 89            13 64 99          − 12 30 21             1 34 78 00           − 1 23 11 01               11 66 99

Значение девятой строки вычитается из остатка и добавляется еще несколько нулей, чтобы получить новый остаток 11669900. Во втором столбце девятой строки 18 с 13678 на доске, поэтому

13678 + 1 → 13679 → добавить 8 → 136798

вычислено, чтобы установить на плате 136798.

 136798
101030607090801     2   1
202061214181604     4   2
303091821272409     6   3
404122428363216     8   4
505153035454025   10   5
606183642544836   12   6
707214249635649   14   7
808244856726464   16   8
909275463817281   18   9
46 78 53 99.00 00    =    6839.9       − 36         10 78       − 10 24            54 53          − 40 89            13 64 99          − 12 30 21             1 34 78 00           − 1 23 11 01               11 66 99 00

Шаги можно продолжить, чтобы найти необходимое количество цифр и если будет достигнута необходимая точность. Если остаток равен нулю, это означает, что был найден точный квадратный корень.

Округления

Найдя нужное количество цифр, легко определить, нужно ли его округлять в большую сторону; т. е. изменение последней цифры. Не нужно искать другую цифру, чтобы увидеть, больше ли она 5. К корню добавляется 25 и сравнивается с остатком; если он меньше или равен остатку, то следующая цифра будет не менее пяти, и необходимо округление в большую сторону. В приведенном выше примере 6839925 меньше 11669900, поэтому корень необходимо округлить до 6840,0.

Чтобы найти квадратный корень из числа, которое не является целым числом, скажем 54782,917, все то же самое, за исключением того, что цифры слева и справа от десятичной точки сгруппированы по два.

Таким образом, 54782,917 можно сгруппировать как

054782.9170

Затем квадратный корень можно найти, используя ранее упомянутый процесс.

Диагональная модификация

В 19 веке кости Напьера были преобразованы, чтобы их было легче читать. Стержни были сделаны под углом около 65 °, так что треугольники, которые нужно было добавить, были выровнены вертикально. В этом случае в каждом квадрате стержня единица находится справа, а десятка (или ноль) - слева.

Napier Modification.png

Стержни были сделаны таким образом, что вертикальные и горизонтальные линии были более заметными, чем линия, где стержни касались стержней, что облегчало чтение двух компонентов каждой цифры результата. Таким образом, на картинке сразу видно, что:

987654321 × 5 = 4938271605

Правители Genaille – Lucas

В 1891 г. Анри Женай изобрел вариант костей Напьера, который стал известен как Правители Genaille – Lucas. Представляя нести графически результаты простых задач умножения могут быть прочитаны напрямую, без промежуточных мысленных вычислений.

В следующем примере вычисляется 52749 × 4 = 210996.

Пример правителей Женаля-Лука 5.png

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Джон Нэпьер» (1617 г.). "Rabdologiæ" (на латыни). Эдинбург, Шотландия.

внешняя ссылка