Магия метода FOIL

Одним из самых важных и полезных следствий из закона дистрибутивности является алгебраическое правило FOIL[3], согласно которому для любых переменных a, b, c, d верно следующее:

(a + b)(c + d) = ac + ad + bc + bd

Смотрите, как правило FOIL работает на практике: cначала мы перемножаем первые числа в (a + b)(c + d), то есть ac. Потом – внешние, то есть ad. Затем – внутренние: bc. И наконец – последние: bd.

Давайте проиллюстрируем все это примером с конкретными числами:

23 ? 45 = (20 + 3)(40 + 5) = (20 ? 40) + (20 ? 5) + (3 ? 40) + (3 ? 5) = 800 + 100 + 120 + 15 = 1035

Отступление

Почему работает правило FOIL? Согласно закону дистрибутивности (по отношению к части со сложением, идущей на первом месте),

(a + b)e = ae + be

А теперь вместо e подставим c + d, что даст нам

(a + b)(c + d) = a(c + d) + b(c + d) = ac + ad + bc + bd

Последняя часть становится возможной благодаря повторному применению закона дистрибутивности. Если вы предпочитаете геометрически визуализированное доказательство (при условии, что a, b, c, d – положительные величины), то вот вам прямоугольник, площадь которого можно найти двумя различными способами.

С одной стороны, площадь можно высчитать с помощью (a + b)(c + d). С другой – мы можем разбить большой прямоугольник на четыре с площадями ac, ad, bc и bd. Значит, общая площадь будет равна ac + ad + bc + bd. Знак равенства между двумя этими подходами обеспечивает правило FOIL.

А теперь давайте посмотрим, как работает магия правила FOIL. Бросьте две игральные кости и посмотрите таблицу, которая приведена чуть ниже. Допустим, вы выкинули 6 и 3. На обратных сторонах костей будет, соответственно, 1 и 4.

В нашем примере результат будет равен 49. И сколько бы вы ни бросали обычные шестигранные кости, результат будет тот же. Дело в том, что сумма чисел на противоположных сторонах стандартной игральной кости всегда равна 7. То есть если обозначить выпавшие числа буквами x и y, их парами будут 7 – x и 7 – y. Алгебра переделывает нашу таблицу таким вот образом:

Обратите внимание на подсчет в третьей строке (–x и – y при умножении дают xy со знаком плюс). К результату 49 можно прийти и другим, менее алгебраическим, способом: достаточно просто посмотреть на второй столбец таблицы и увидеть там те самые четыре числа, которые нужны нам для «запуска» FOIL: (x + (7 – x))(y + (7 – y)) = 7 ? 7 = 49.

На уроках алгебры правило FOIL обычно применяют для решения таких, например, задач:

(x + 3)(x + 4) = x?+ 4x + 3x +12 = x? + 7x + 12

В крайней правой части число 7 (которое в этом случае называется коэффициентом числа х) есть сумма 3 и 4; 12 же (здесь он будет постоянным членом) – их произведение. Ну а получить ответ с нашим-то опытом – дело элементарное: так как 5 + 7 = 12, а 5 ? 7 = 35, получаем

(x + 5)(x + 7) = x? + 12x + 35

С отрицательными величинами это тоже отлично работает, и вот тому подтверждение: в нашем первом примере мы начинаем с того, что 6 + (–2) = 4, а 6 ? (–2) = –12.

(x + 6)(x – 2) = x? + 4x – 12

(x + 1)(x – 8) = x? – 7x – 8

(x – 5)(x – 7) = x? – 12x + 35

А вот примеры, когда известные числа у нас одинаковые:

(x + 5)? = (x + 5)(x + 5) = x? + 10x + 25

(x – 5)? = (x – 5)(x – 5) = x? – 10x + 25

Обратите внимание, кстати, что (x + 5)? ? x? + 25: ошибку эту делают почти все, кто только начинает познавать азы алгебры. Но куда интереснее обстоят дела, когда у нас есть два одинаковых числа с разными знаками. Например, так как 5 + (–5) = 0,

(x + 5) (x – 5) = x? + 5x – 5x – 25 = x? – 25

Главное, что нужно запомнить – формула разности квадратов двух переменных:

(x + y)(x – y) = x? – y?

Мы уже пользовались ей в главе 1, в примере, когда учились в уме возводить в квадрат числа. Способ этот основан на алгебраической формуле:

A? = (A + d)(A – d) + d?

Сначала давайте удостоверимся в правильности этой формулы. В отличие от формулы квадратов здесь мы имеем [(A + d)(A – d)] + d? = [A? – d?] + d? = A?. Стало быть, это действительно для всего диапазона значений A и d. На практике буквой A обозначается число, возводимое в квадрат, а d – его разность с ближайшим круглым числом. Например, чтобы возвести в квадрат 97, мы принимаем d за 3, чтобы получить

97? = (97 + 3) (97 – 3) + 3? = (100 ? 94) + 9 = 9409

Отступление

А вот несколько рисунков, доказывающих закон квадратичной зависимости. На них показано, как геометрическая фигура с площадью x? – y? может быть преобразована в прямоугольник с площадью (x + y)(x – y).

В главе 1 мы научились перемножать между собой близкие по значению числа. Но если там мы оперировали числами, близкими к сотне и начинающимися с одной и той же цифры, то здесь, используя элементы алгебры, мы можем поговорить и о более интересных примерах. Скажем, вот алгебраическая интерпретация метода сближения:

(z + a)(z + b) = z(z + a + b) + ab

Это становится возможным, потому что (z + a)(z + b) = z? + zb + za + ab, а значит, мы можем вынести за скобки из первых трех элементов сомножитель z. Формула эта работает для любых значений, хотя обычно под z мы понимаем число, заканчивающееся на ноль. Чтобы перемножить, например, 43 ? 48, мы берем за z число 40, соответственно, a = 3, b = 8. И тогда наша формула говорит нам, что

43?48 = (40 + 3) (40 + 8) = 40(40 + 3 + 8) + (3 ? 8) = (40 ? 51) + (3 ? 8) = 2040 + 24 = 2064

Обратите внимание, что при сложении наши множители дают 43 + 48 = 91 – тот же результат, что и менее сложные для подсчетов 40 + 51 = 91. Это совсем не случайно, ведь алгебра говорит нам, что сумма изначальных множителей представляет собой (z + a) + (z + b) = 2z + a + b, что является в то же время суммой более простых чисел z и z + a + b. А значит, мы можем легко округлять изначальные числа до удобных нам при подсчетах. Последнее вычисление, например, может быть сведено к z = 50, a = –7 и b = –2, и умножать мы будем 50 на 41. (Легко понять, откуда взялось 41: 43 + 48 = 91 = 50 + 41.) Следовательно,

43 ? 48 = (50 – 7)(50 – 2) = (50 ? 41) + (–7 ? –2) = 2050 + 14 = 2064

Отступление

В главе 1 мы использовали этот метод для чисел больше 100. Но он отлично работает и с меньшими величинами, например,

96 ? 97 = (100 – 4)(100 – 3) = (100 ? 93) + (–4 ? –3) = 9300 + 12 = 9312

Обратите внимание, что 96 + 97 = 193 = 100 + 93 (на деле я всего лишь сложил две последние цифры, 6 и 7, чтобы узнать, что сотню нужно умножать на число, заканчивающееся на 3 и, скорее всего, равное 93). Со временем, получив опыт, вы научитесь не обращать внимания на минусы и умножать не отрицательные числа, а их положительные «отражения». То есть

97 ? 87 = (100 – 3)(100 – 13) = (100 ? 84) + (3 ? 13) = 8400 + 39 = 8439

Этот же метод можно применить к парам чисел, одно из которых чуть меньше, а другое – чуть больше 100, только в конце вместо сложения вам нужно произвести вычитание. Например,

109 ? 93 = (100 + 9) (100 – 7) = (100 ? 102) – (9 ? 7) = 10 200 – 63 = 10 137

И опять же, число 102 можно получить двумя способами: либо из 109 – 7, либо из 93 + 9, либо из 109 + 93 – 100 (ну и четвертый вариант – сложить последние цифры начальных чисел: 9 + 3 скажут нам, что число будет заканчиваться на 2, и этой информации может быть вполне достаточно). Практикуясь, вы научитесь легко перемножать близкие друг к другу числа. Посмотрите на несколько несложных примеров с трехзначными числами. Имейте в виду, что a и b здесь числа, в которых больше одного знака.

218 ? 211 = (200 + 18)(200 + 11) = (200 ? 229) + (18 ? 11) = 45 800 + 198 = 45 998

985 ? 978 = (1000 – 15) (1000 – 22) = (1000 ? 963) + (15 ? 22) = 963 000 + 330 = 963 330