Multiplikation

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Die Multiplikation (v. lat.: multiplicare = vervielfachen, auch Malnehmen genannt) ist eine der vier Grundrechenarten in der Arithmetik.

Inhaltsverzeichnis

1 Namensgebung (Fachwort: Nomenklatur)
2 Rechengesetze
- 2.1 Gaußsche Summenfaktor-Regel
3 Mehr oder weniger als zwei Faktoren
4 Multiplikation mit den Fingern
5 Vedische Multiplikation
6 Kuriose Art der Multiplikation
- 6.1 Russische Bauernmultiplikation
  - 6.1.1 Erklärung
7 Verallgemeinerungen
8 Siehe auch
9 Weblinks

[Bearbeiten] Namensgebung (Fachwort: Nomenklatur)

Die Multiplikation natürlicher Zahlen entsteht durch das wiederholte Addieren (Zusammenzählen) des gleichen Summanden:

$\begin{matrix} \underbrace{b+b+\cdots+b}\\{a}\\[-4ex] \end{matrix} = \sum_{i=1}^{a}b = a \cdot b$

a und b nennt man Faktoren oder Multiplikanden. Das Ergebnis, gesprochen "a mal b", heißt Produkt.

Merkhilfe:

Produkt = Faktor · Faktor bzw. Faktor · Faktor = Produkt

oder

Produkt = Multiplikator · Multiplikator bzw. Multiplikator · Multiplikator = Produkt

Zum Beispiel schreibt man 3 · 4 für 4 + 4 + 4, und spricht diesen Term als „dreimal vier“.

Anstelle von 3 · 4 wird manchmal auch 3 × 4 geschrieben. In Computerprogrammen verwendet man oft das Zeichen *, in anderen Texten wird es vermieden. Bei der Multiplikation mit Variablen wird der Punkt oft weggelassen (5x, xy). Zur richtigen Schreibweise siehe Malzeichen.

Bei der Multiplikation mehrerer oder vieler Zahlen kann man das Produkt-Symbol $\prod$ (großes Pi) verwenden:

$3 \cdot 5 \cdot 7 \cdot 9 \cdot 11 = \prod_{i=1}^5 (2i+1) = 10.395$

oder auch

$\frac{3}{1} \cdot \frac{4}{2} \cdot \frac{5}{3} \cdot \; \dots \; \cdot \frac{n+2}{n} = \prod_{i=1}^n \frac{i+2}{i} = \frac{(n+1)(n+2)}{2}$

Die unter anderem in der Stochastik häufig verwendetete Fakultät ist eine besondere Multiplikation natürlicher Zahlen:

$1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \dots \cdot n = \prod_{i=1}^n i = n!$

Wiederholtes Multiplizieren mit dem gleichen Faktor führt zum Potenzieren, z.B. ist

$2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 = 2^6 = 64$

Die anschauliche Verallgemeinerung der Multiplikation und ihrer Rechenregeln auf die rationalen und reellen Zahlen erreicht man durch Betrachten eines Rechtecks mit den Seitenlängen a und b (in einer vorgegebenen Längeneinheit). Der Flächeninhalt dieses Rechtecks (in der entsprechenden Flächeneinheit) ist definiert als Produkt a · b .

Die Multiplikation rationaler Zahlen lässt sich auch formal mit Hilfe von Brüchen definieren. Ebenso kann man die Multiplikation während des Konstruktionsvorganges der reellen aus den rationalen Zahlen definieren.

Die umgekehrte Operation zum Multiplizieren ist das Dividieren, das auch als Multiplizieren mit den Kehrwert aufgefasst werden kann.

[Bearbeiten] Rechengesetze

In einem Körper $K\,$ (also insb. $K=\Bbb{Q},\R,\Bbb{C}$ ) gelten $\forall a, b, c \in K$ (siehe Mathematik)

Assoziativgesetz	$a \cdot (b \cdot c) = (a \cdot b) \cdot c = a \cdot b \cdot c$
Kommutativgesetz	$a \cdot b = b \cdot a$
Distributivgesetz	$a \cdot (b + c) = a \cdot b + a \cdot c$
neutrales Element	$a \cdot 1 = a$
inverses Element	$a \cdot a^{-1} = 1 \quad \forall a\neq 0$
absorbierendes Element	$a \cdot 0 = 0$

[Bearbeiten] Gaußsche Summenfaktor-Regel

Die Gaußsche Summenfaktor-Regel besagt, dass eine Multiplikation mit einer beliebigen Anzahl von Faktoren dann das größte Produkt, bei gleich bleibender Summe der Faktoren, erreicht, wenn die Gesamtdifferenz zwischen den Faktoren möglichst gering ist. Die Gesamtdifferenz errechnet sich, indem man die Differenzen zwischen allen Faktoren addiert.

Beispiel:

10 * 10 * 10 = 1000 Gesamtdiff.:  0 ( 0 + 0 + 0 )
 9 * 11 * 10 =  990 Gesamtdiff.:  4 ( 2 + 1 + 1 )
 8 * 11 * 11 =  968 Gesamtdiff.:  6 ( 3 + 3 + 0 )
 8 * 12 * 10 =  960 Gesamtdiff.:  8 ( 4 + 2 + 2 )
 7 * 12 * 11 =  924 Gesamtdiff.: 10 ( 5 + 4 + 1 )
 7 * 13 * 10 =  910 Gesamtdiff.: 12 ( 6 + 3 + 3 )
[...]

Wie man sieht, wird das Produkt bei steigender Gesamtdifferenz in der Regel kleiner, obwohl die Summe aller Faktoren bei jeder Multiplikationsaufgabe 30 ist. Gegenbeispiel: 12 · 9 · 9 = 972; Gesamtdifferenz: 6 = 3 + 3 + 0.

[Bearbeiten] Mehr oder weniger als zwei Faktoren

Das Produkt von mehr als zwei Faktoren wird so definiert, dass man von links beginnend je zwei Faktoren multipliziert und so fortfährt, bis nur eine Zahl übrigbleibt. Das Assoziativgesetz besagt nun, dass die Reihenfolge eigentlich egal ist, man kann also auch von rechts beginnen, oder (aufgrund des Kommutativgesetzes) mit zwei beliebigen Faktoren anfangen.

Auch das Produkt von einem einzigen oder von gar keinen Faktoren ist definiert, obwohl man dazu nicht mehr multiplizieren muss: Das Produkt einer Zahl ist diese Zahl selbst, und das Produkt von null Faktoren ist 1 (allgemein das neutrale Element der Multiplikation).

Es ist auch möglich, ein unendliches Produkt zu bilden. Dabei spielt die Reihenfolge der Faktoren allerdings eine Rolle, man kann die Faktoren also nicht mehr beliebig vertauschen, und auch beliebige Zusammenfassungen zu Teilprodukten sind nicht immer möglich. (Ähnlich wie bei unendlichen Summen.)

[Bearbeiten] Multiplikation mit den Fingern

Nicht nur das Addieren, sondern auch das Multiplizieren, lässt sich in begrenztem Umfang mit den Fingern bewerkstelligen. Hierzu müssen beide Faktoren in ein und derselben Dekadenhälfte liegen, also entweder beide auf Ziffern zwischen 1 bis 5 oder auf Ziffern zwischen 6 bis 0 enden.

Im ersten Fall nummeriert man die Finger beginnend beim kleinen Finger mit 10 · (d-1) + 1 bis 10 · (d-1) + 5 für den Daumen durch, wobei d für die Dekade der entsprechenden Zahl steht (also beispielsweise 11 bis 15 für die zweite Dekade). Danach hält man die zwei Finger, deren Produkt man ausrechnen will, aneinander. Das entsprechende Produkt erhält man, indem man die unteren Fingern zählt (die beiden aneinandergehaltenen Finger zählen dazu) und mit (d-1) · 10 multipliziert, dazu das Produkt der Finger der linken Hand mit den Fingern der rechten Hand und schließlich eine additive Konstante (d-1) ^ 2 · 100 hinzuaddiert.

Im zweiten Fall nummiert man die Finger von 10 · (d-1) + 6 bis 10 · d durch (also beispielsweise 16 bis 20). Danach hält man analog zum ersten Fall die beiden Finger der gewünschten Faktoren aneinander, zählt die unteren Finger, aber multipliziert diese jetzt mit d · 10 und zählt zu diesem das Produkt der oberen Finger (ohne die zusammengehaltenen Finger) hinzu und die additive Konstante ergibt sich als (d-1) · d · 100.

Multiplikation von 7 und 8 mittels Fingern

Um beispielsweise 7 mal 8 zu rechnen, zählt man die unteren Finger – hier sind es 5 – und multipliziert sie mit 10 (d = 1). Man erhält 50. Nun multipliziert man die oberen Finger der einen Hand – hier 3 – mit der der anderen – hier 2 – und kommt auf 3 · 2 = 6. Jetzt die beiden Zwischenergebnisse addieren, also 50 + 6 = 56, und man erhält das Endergebnis. Die additive Konstante (d-1) · d · 100 ist hier 0 · 1 · 100 = 0.

Multiplikation von 24 und 22 mittels Fingern

Beim Multiplizieren von 24 und 22 zählt man die unteren Finger auf 6, multipliziert dies mit 20 ( (d-1) · 10 = 2 · 10) zu 120, addiert dazu das Produkt der oberen Finger 4 · 2 = 8 und die additive Konstante (d-1) · 2 · 100 = 400 und erhält dadurch 528.

Besonders geeignet ist dieses Verfahren für das schnelle Errechnen von Quadratzahlen ohne Taschenrechner. Für Faktoren verschiedener Dekaden und Dekadenhälften kann man dieses Verfahren immer noch anwenden, indem man die Faktoren in Summen aufspaltet.

Hintergrund für dieses Verfahren ist die Tatsache, dass man solche Produkte schreiben kann als:

$(a+x) \cdot (a+y) = a^2 + (x+y) \cdot a + x \cdot y$

und Produkte der zweiten Dekadenhälfte errechnen kann, indem man die Komplemente der letzten Ziffer bzgl. 10 bildet. Die letzte Ziffer ist dann das Produkt der Komplemente, die Zehner das Komplement der Summe der Komplemente.

[Bearbeiten] Vedische Multiplikation

Diese Rechenart kommt aus Indien und nennt sich vedische Mathematik. Bei dem Rechensystem werden zuerst die Zahlen analysiert und danach ein passendes Verfahren zur deren Berechnung ausgewählt. So existiert z. B. ein Verfahren, welches sich immer dann zu einer „Blitz“-Multiplikation auch großer Faktoren eignet, wenn diese knapp unter derselben Zehnerpotenz liegen (zu „vedisch“ siehe auch: Veda, Vedische Sprache).

Dem Rechenweg liegt folgende Beziehung zugrunde: $a$ und $b$ seien zwei Zahlen dicht unterhalb einer Zehnerpotenz $10 n$ und $\bar a$ bzw. $\bar b$ die Differenzen hierzu. Dann ist

$a \cdot b = (10^n - \bar a) \cdot (10^n - \bar b) = (10^n - \bar a - \bar b) \cdot 10^n + \bar a \bar b = (a - \bar b) \cdot 10^n + \bar a \bar b$

Falls nun $\bar a \bar b < 10^n$ ist, kann man die beiden Zifferfolgen von $(a - \bar b)$ und $\bar a \bar b$ einfach nebeneinander schreiben, um so zur Lösung der Multiplikation zu gelangen. (Achtung: Führende Nullen des zweiten Terms müssen mitgeschrieben werden.)

Beispiele

95 * 97 = 9215             992 * 988 = 980096
 
 Fakt.   Diff.               Fakt.   Diff.
  a,b   zu 100                a,b   zu 1000
---------------            ------------------
    95   5                     992    8
       \ *                         \  *
    97   3                     988   12
---------------            ------------------
    92  15                     980  096
 
 (95-3) (5*3)              (992-12) (8*12)

Natürlich ergibt eine Vertauschung der Faktoren dasselbe Ergebnis, da: $(a - \bar b) = (10^n - \bar a - \bar b) = (b - \bar a)$ ist.

[Bearbeiten] Kuriose Art der Multiplikation

[Bearbeiten] Russische Bauernmultiplikation

Siehe auch Hauptartikel: Russische Bauernmultiplikation

A und B seien ganzzahlige Faktoren. Das Produkt P = A · B kann auch auf folgende – scheinbar kuriose – Art ermittelt werden:

Schritt: Dividiere A und die Ergebnisse so lange durch 2, bis sich 1 als Ergebnis einstellt. Dabei wird ein nicht ganzzahliges Ergebnis auf die nächste ganze Zahl abgerundet und danach die Division durch 2 fortgesetzt.
Schritt: Verdopple B fortlaufend.
Schritt: Streiche alle Zeilen, in welchen in der Spalte A eine gerade Zahl steht.
Schritt: Addiere alle nicht gestrichenen Zahlen der Spalte B. Die erhaltene Summe ist das gesuchte Produkt P.

Beispiel: 11 · 3 = ?

Spalte A    Spalte B
   11     ·     3
    5           6         
    2          12         gestrichen wegen (2 = gerade) in Spalte A
    1          24
_______________________
       Summe   33
=======================

Das scheinbar Kuriose an dieser Methode ist, dass die Rechnung immer stimmt, obwohl in der Spalte A im allgemeinen Rundungen vorgenommen werden.

[Bearbeiten] Erklärung

In der Spalte A werden Streichungen vorgenommen, wo bei der dezimalen Zahl 11 in der binären Darstellung Nullen stehen: 11(dezimal) = 1011(binär). Dabei ist die Spalte A von unten nach oben zu lesen. Diese Methode ist auch die einfachste Art, dezimale Zahlen in binäre zu transformieren. Die fortlaufenden Verdoppelungen in der Spalte B entsprechen den Zweierpotenzen des binären Zahlensystems, multipliziert mit dem zweiten Faktor. Wo in Spalte A eine Null steht, wird die entsprechende Zahl in B mit 0 multipliziert, daher gestrichen. Alle übrigen Zahlen der Spalte B gehören zum Produkt und werden summiert.

Man kann dies auch leicht anders formulieren.

$11\cdot 3 = 3 + 6 + 24\Leftrightarrow 11\cdot 3 = 3 \cdot (1 + 2 + 8)\Leftrightarrow 11 = 1 + 2 + 8\Leftrightarrow 11 = 2^0 + 2^1 + 2^3$

Die letzte Gleichung kommt der binären Darstellung 1011 von 11 gleich.

[Bearbeiten] Verallgemeinerungen

Die bekannte Multiplikation reeller Zahlen kann zur Multiplikation komplexer Zahlen verallgemeinert werden, indem man eine imaginäre Einheit i einführt und die Faktoren in der Form a+b·i formal ausmultipliziert.

Durch Forderung einiger der oben angegebenen Rechengesetze gelangt man zu algebraischen Strukturen mit zwei Verknüpfungen, einer Addition und einer Multiplikation. In einem Ring gibt es eine Addition, mit der die Menge eine Abelsche Gruppe bildet, und eine Multiplikation, die assoziativ und distributiv ist. Hat die Multiplikation ein neutrales Element, nennt man den Ring unitär. Ist zusätzlich die Division immer möglich, erhält man einen Schiefkörper. Ist zusätzlich die Multiplikation kommutativ, erhält man einen Körper.

Mit dieser Multiplikation nicht zu verwechseln sind andere Verknüpfungen, die gemeinhin auch als Produkte bezeichnet werden, z. B. das Skalarprodukt in euklidischen Vektorräumen, die Skalarmultiplikation in Vektorräumen, die Matrizenmultiplikation und das Kreuzprodukt im dreidimensionalen Raum $\R^3$ . Von Multiplikation spricht man auch bei Größenwerten von physikalischen Größen.