わさっきhb

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負の数のかけ算

 いきなりですが問題です.

どうして(-3)×(-2)=6となるのか,説明してください.

 こういう説明問題で,次のような書き方は,おそらく,期待されていません.

  • 3×2=6の両辺に-1を2回かけると,(-1)×(-1)×3×2=(-1)×(-1)×6.左辺は交換法則と結合法則により,(-1)×(-1)×3×2={(-1)×3}×{(-1)×2}=(-3)×(-2).右辺は6.ゆえに(-3)×(-2)=6(証明終)

 ツッコミどころは,a=bならば-a=-bという性質や,正負の数を対象とした乗法の交換法則・結合法則を,証明なしに使っていいのかというところです.とはいえ,正解にしていいか,不正解あるいは減点とすべきかは,出題*1から採点までのプロセスにおいて,どのような取り決めがなされているかによります.
 そういった代数的な定理の証明によらず,マイナスかけるマイナスはプラスに,そして(-3)×(-2)=6になることを説明するには…いくらでも食べられる,おいしい料理を用意しましょう*2.私がそれを1分間に3皿食べるとすると,2分間では3×2=6で6皿食べることになります.それだけ食べた時点を基準とすると,その2分前には,在庫は3×2=6で6皿分多いとなります.そこで,残りのお皿の変化に着目したプラスとマイナス*3と,時間のプラスとマイナスをあてはめると,(-3)×(-2)=6と言えます.しかし2種類の正負の数量を必要とし,誤解を招きやすそうです.
 また別の手段は,数直線です.次の2冊の本は,負の数のかけ算の説明に,数直線を用いています.

 とはいえ,いきなりマイナスかけるマイナスの計算をするわけではありません.まず,一方がマイナス,もう一方がプラスの場合を考えます.そこに2冊の違いが現れていました.
 主要部は次のとおりです.

そうなんです。では,負の数のかけ算とは何だろう。まずは
  (-2)×3
のような,かけられる数が負,かける数が正のかけ算の意味を考えてみましょう。
女の子 答えは(-6)だよね。
男の子 負の方向へ2進むのを3回繰り返す。
豚   マイナス2の3個分。
(『生き抜くための数学入門』p.38)

3秒前,すなわち,-3秒後には,木よりも西の方向84m,すなわち,-84mのところを走っていました。
(+28)×(-3)=(−84)
(『中学数学再入門』p.34)

 『生き抜くための数学入門』ではマイナスかけるプラスから入っています(本文では,その次はプラスかけるマイナスとなる2×(-3),そして両方ともマイナスの(-2)×(-3)と見ていきます).男の子の発言は,累加を表します.負の数の累加も,かけ算で表すことができるという考え方が,そこには含まれています.
 一方,『中学数学再入門』の,負の数のかけ算の最初は,プラスかけるマイナスです.引用のあとは,かける数を1ずつ,3まで増やし,それぞれのかけ算の式と答え,その解釈を示しています.マイナスかける(-3から3まで)の式は,p.37に並んでいます.(-28)×(-3)=(+84)を含む,マイナスかけるマイナスの式は,その次のページです.
 (+28)×(-3)=(-84)に話を戻すと,式を並べる都合として,この式から始まっていますが,小学生のかけ算の連携あるいは意味の拡張を図ろうとするなら,(+28)×(+3)=(+84)からスタートし,かける数を1ずつ減らしていくのが,分かりやすいように思えます.そこでは,小学校学習指導要領解説 算数編では第3学年で学習するという等式,a×(b±1)=a×b±aを用いることになります.aおよびbがプラス・マイナス・ゼロのいずれであっても成立するという考え方です.
 ここまで2回,「考え方」と書きましたが,先に書いたほうは定義,あとに書いたほうは定理となります.ただしいずれも,それまで(小学校の範囲の演算)の拡張になりますので,拡張する前の状況で分かっている性質と矛盾することがないか,確かめることも,実は必要だったりします.
2冊の違いは,2次元平面を使って,次のように表すことができます.便宜上,x軸をかけられる数,y軸をかける数としています.
 『生き抜くための数学入門』では,プラス×プラスを既知とし,マイナス×プラス,プラス×マイナス,そしてマイナス×マイナスの答えと見ていっています.

 それに対し『中学数学再入門』では,プラス×プラスを既知とし,プラス×マイナス,マイナス×プラス,そしてマイナス×マイナスという順番です.

 このように,流れは異なりますが,2つには共通点もあります.マイナス×マイナスがプラスになることを説明するときに使う数は,整数を用いており,小数や実数は使いません.もう一つは,かけられる数とかける数の違いに注意しながら,議論を進めているところです.交換法則は現れません.2×(-3)と(-2)×3,あるいはa×(-b)と(-a)×bがが等しいのは,別々の理由でそのかけ算の答えが-6あるいは-abになるため,と言えます.
 昨今の「かけ算の順序論争」を踏まえると,小学校高学年になったら,あるいは中学の数学では,かけられる数とかける数の違いなんてないんだよ,というのでは,負の数のかけ算の説明で苦労することになるわけです.中島(1968)では,ラパッポルト氏による反論を紹介する形で,「アレイでも,(-3)×(-4)の説明はできない」と書いています.
 とはいえ今回の話を,非順序派への攻撃の材料として使うのではなく,乗法には〈乗数と被乗数が区別される文脈〉と〈乗数と被乗数を区別しない文脈〉(乗数効果より)という大まかな分類が,算数でも数学でも,日常生活にも存在するんだということを,今後も呼びかけていくとします.
 『生き抜くための数学入門』は,今月9日に学外の図書館(農民カフェ絆で昼食)で見かけた本で,その後,Amazonで取り寄せました.『中学数学再入門』は書店で購入しました.


 はてブとコメントありがとうございます.

ROYGB 縦−3センチで横−2センチの長方形の面積は6平方センチというのはダメか。縦3センチで横−2センチだったら面積がマイナスになる。

符号付きの面積といえば,定積分を使いたいところです.f(x)=3,g(x)=-3(どちらも定数関数)を用いると,




が言えます(定積分の下端が上端より大きいときの扱いは「規約」(wikipedia:積分法)によります).そして最後の定積分が,(-3)×(-2)=6に対応します.
一般には,f(x)+g(x)=0と,いくつか条件を設けた上で,

となります.

*1:問題作成や,解答者が事前に何を学んでいるのかといった,広い意味のセッティングをも含めるべきかもしれません.

*2:実際,これを書いている時点で,猛烈にお腹がすいています.

*3:私がn皿食べることは,残りのお皿がn皿減ったことになりますので,これを-nで表す,と取り決めるわけです.