乘法

乘法是四則運算之一。乘法運算的本質，就是「同類累加的簡寫形式」。

例如：

$$a\times b = \underbrace{b + \cdots + b}_{a \text{ 个 b}} .$$

$a$ 和 $b$ 都是本式的因數（或稱約數），其運算結果稱為積。

$a\times b$可以唸作「a 乘 b」或「a 乘以 b」。唸作「a 乘 b」時 $a$ 是乘數，$b$ 是被乘數，即「$a$個$b$」。唸作「a 乘以 b」則相反，表示「$a$的$b$倍」。這種雙意並非中文或者英文特有。乘數和被乘數的交替並不會影響乘法的結果。

乘法運算亦有其它形象理解：對於整數乘法，可表現為將對象排列成矩形陣列；對於實數乘法，則可解釋為計算矩形面積。同樣地，運算結果不受邊長測量順序的影響。

在乘法基本概念的基礎上，序列乘積、向量乘法、複數及矩陣運算等均對其進行了概念擴展。這些更高級的數學結構會以各自方式影響乘法的基本性質——例如矩陣乘法和某些向量乘法會呈現非交換性，複數乘法則會改變複數的符號。

## 引言

首先，進入正題前，我們不妨來看兩個生活中的例子：

- 買5個單價為3圓的冰激凌：由$5\times 3 = 15$可得，需要支付15圓。
- 要搭一個3層高、每層4塊積木的小塔：由$3\times 4 = 12$可得，需要12塊積木。

其次，數學和物理存在許多「累加關係」：

- 已知勻速直線運動狀態下，某物體行進速度為 $v$，所用時間為 $t$，可得累計距離 $d=v\times t$。
- 已知一個物體的密度為 $\rho$ （假設密度均勻），體積為 $V$，可得其質量 $m = \rho \times V$。

......

可見，在數學，尤其是在基本算術中，乘法是加法的「快捷版」。

## 定義

### 基本定義

乘法運算，指通過特定法則將兩個或多個數結合生成積的運算過程。其核心內涵包括：

- 同類累加的簡寫形式：表示將相同值的數進行連續疊加的運算（如 $3\times 4 = 4 + 4 + 4 = 12$）
- 比例關係的量化表達：當乘數非整數時，可表示為原數的分數（小數）倍（如 $3\times 0.5$ 表示 $3$ 的一半，$4\times \dfrac1{3}$ 表示 $4$ 的三分之一）
- 維度擴展的數學工具：在幾何學中，用於計算面積（長 $\times$ 寬）、體積（長 $\times$ 寬 $\times$ 高）等空間度量

## 符號與表示

乘法可以用幾種方法表示。以下的式子表示「五乘以二」：

- $$5 \times 2$$
- $$5 \cdot 2$$
- $$5 * 2$$
- $$(5)(2)$$

古代常用的方法是將兩個數並排，沒有甚麼特別的符號來表示乘法。

以「$\times$」表示乘法，是由奧特雷德於1618年最先引入，也是現在最流行的寫法。在電腦領域，也有為方便鍵盤輸入而以小寫英文字母「x」替代「×」。

以「$\cdot$」表示乘法，如今已成為美國、德國、法國等國家的標準。其最早由托馬斯·哈里奧特於1631年出版的著作使用，但令這種用法影響深遠的人是萊布尼茲。

因為星號「$*$」是鍵盤必備的符號，電腦常用其表示乘號，這種用法起源於FORTRAN語言。

代數中，為方便書寫，乘號常被略去（如 $5x$ 和 $xy$）。但如果變數多於一個字母，則易令人混淆。同時如果只有數字，乘號則不應略去，如 $5 \times 2$ 不會表示成 $52$。

累乘則用大寫希臘字母 $\Pi$（Pi）表示：

$$\prod_{i=m}^{n} x_{i} := x_{m} \cdot x_{m+1} \cdot x_{m+2} \cdot \ldots \cdot x_{n-1} \cdot x_{n}$$

## 性質

乘法運算的數學性質在不同定義和數系下具有多樣性，以下是主要分類及詳細說明。

### 基本運算律

- 交換律：$xy = yx$
- 結合律：$(xy)z = x(yz)$
- 分配律：$x(y + z) = xy + xz$

### 單位元、零元與逆元性質

- 乘法單位律：任何數乘以 $1$，都會等於該數本身，即$1x = x$。此律可擴展至多項式中的常數項。
- 零元性質：任何數乘以 $0$，即是甚麼也沒做過，結果為零，即$0x = 0$。同樣地，多個因數中若含 $0$，積必為 $0$。
- 逆元性質：非零數 $a$ 的逆元（亦為其倒數）為 $\dfrac 1{a}$，滿足 $a\times \dfrac 1{a} = 1$。

### 特殊數系下的性質

#### 實數與複數除法

- 滿足交換律、結合律、分配律。
- 複數乘法涉及模長和輻角的變化。

#### 矩陣乘法

- 滿足結合律和分配律，但不滿足交換律，特殊矩陣（如對角矩陣）除外。
- 對零矩陣：所有元素為 $0$ 的矩陣，與任意矩陣相乘結果為零矩陣。

#### 模運算

在模 $n$ 下，乘法逆元存在若且唯若數與 $n$ 互質（如模質數時所有非零數均有逆元）。

## 不同的乘法運算

兩個數的乘法運算或積（這兩個數可以是自然數、整數、分數、實數、複數、四元數等）的數學定義，相似而又各有特性。

### 自然數乘法

兩個自然數 $m,n\in\mathbb{N}$，其乘積為：

$$mn = nm = \sum_{k=1}^n m = \sum_{k=1}^m n$$

這是將該整數自身重複相加若干次的簡寫法。換言之：

$$mn = nm = \underbrace{m+m+m+ \cdots +m}_{n\text {个 m}} = \underbrace{n+n+n+ \cdots +n}_{m\text {个 n}}$$

長遠來看，將乘法視為重複加法並不高效。因此，數學家歸納了從 $1$ 到 $9$ 的乘法結果，即九九乘法表。

多個自然數相乘時，我們使用括號標明運算順序。為避免過多括號，規定以下優先級規則：乘法始終優先於加法。例如在表達式 $4 + 5\times 2$ 中，應理解為 $4 + (5\times 2) = 4+10=14$，而非 $(4+5)\times 2 = 9\times 2 = 18$。

當$x$是量，$y$是自然數時，定義乘法遞歸如下：

$$0x = 0$$

$$xy = x + x(y - 1)$$

### 整數乘法

整數乘法推廣自然數乘法至負數，符號規則為：同號得正，異號得負，絕對值相乘。

### 分數（小數）乘法

兩個分數 $\frac{z}{n},\frac{z'}{n'}$ 作乘法運算時，分子與分子相乘，分母與分母相乘：

$$\frac{z}{n} \cdot \frac{z'}{n'} = \frac{z\cdot z'}{n\cdot n'}$$

若且唯若 $n,n'\neq 0$ 時成立。

兩個小數作乘法運算時，可利用乘法交換律的特性進行計算。

例如，計算 $43.1$ 乘以 $1.215$ 時：

$$\begin{align} 43.1 \times 1.215&= \left(431\times \frac 1{10}\right) \times \left(1\;215\times \frac 1{1\;000}\right)\\ &= (431 \times 1\;215) \times \left(\frac1{10}\times \frac1{1\;000}\right)\\ &= (431 \times 1\;215) \times \frac1{10\;000}\\ &= \frac {523\;665}{10\;000}\\ &= 52.3665\end{align}$$

可見，兩個小數作乘法運算時，先忽略小數點，計算兩數小數點後數字的位數之和，將兩數視為整數相乘，最後在結果中從右往左數出與總位數相同的位數，並放置小數點。

又如，計算 $3.15$ 乘以 $1.2$ 時：

- 先計算整數部分相乘：$315\times 12 = 3780$
- 再將小數點向左移動 $3$ 位：$3780 \Rightarrow 3.780$（末尾的 $0$ 可省略，寫作 $3.78$）

### 實數乘法

實數乘法是前文乘法的推廣，性質也相同。其核心在於：每個實數都是某有理數集的上確界。特別地，每個正實數是其無限小數展開式截斷序列的上確界，例如 $\pi$ 是集合 $\{3,\; 3.1,\; 3.14,\; 3.141,\ldots\}$ 的上確界。

實數的一個基本性質是：有理逼近與算術運算（特別是乘法）相容。這意味著，若正實數 $a$ 和 $b$ 分別表示為集合 $A$ 和 $B$ 的上確界（即 $a=\sup_{x\in A} x$， $b=\sup_{y\in B} y$），則兩數乘積 $a\cdot b$ 等於所有 $x\in A$ 與 $y\in B$ 的乘積項的上確界（即 $a\cdot b=\sup_{x\in A, y\in B}x\cdot y$）。具體而言，兩個正實數的乘積等於其十進位展開式逐項積序列的上確界。

對於涉及負實數的乘法運算，可通過符號法則簡化處理：正負號的變化將上確界轉化為下確界。很多人都通過柯西序列構造實數，因為這種方法無需考慮四種可能的符號組合情況，從而簡化了運算規則的推導過程。

### 複數乘法

複數乘法可通過分配律和虛數單位性質 $i^2=-1$ 進行運算。具體地，兩個複數 $(a + b\, i)$ 與 $(c + d\, i)$ 作乘法運算時，展開過程為：

$$\begin{align} <pre> (a + b\, i) \cdot (c + d\, i) &= a \cdot c + a \cdot d\, i + b \, i \cdot c + b \cdot d \cdot i^2\\ &= (a \cdot c - b \cdot d) + (a \cdot d + b \cdot c) \, i </pre> \end{align}$$

其中 $i^2$ 替換為 $-1$ 後，實部與虛部分別合併。

從幾何視角理解，複數可表示為極坐標形式：

$$a + b\, i = r \cdot ( \cos(\varphi) + i \sin(\varphi) ) = r \cdot e ^{ i \varphi}$$

$$c + d\, i = s \cdot ( \cos(\psi) + i\sin(\psi) ) = s \cdot e^{i\psi}$$

此時，複數乘法可轉化為模長與輻角的運算：

$$(a \cdot c - b \cdot d) + (a \cdot d + b \cdot c) i = r \cdot s \cdot e^{i(\varphi + \psi)}.$$

其幾何意義在於模長相乘（$r\cdot s$）、輻角相加（$\varphi + \psi$）。

### 基於集合論的乘法

非負整數的乘法可通過集合論中的基數概念或皮亞諾公理進行定義。基數理論通過集合的勢（即集合元素的數量）定義乘法，例如，兩個有限集合的笛卡兒積的勢等於各自勢的乘積。而皮亞諾公理體系則通過自然數的遞歸定義實現乘法運算：設非負整數表示為自然數，其乘法可歸納定義為：

- 基例：對任意非負整數 $a$，有 $a\times 0 = 0$。
- 遞推規則：對任意非負整數 $a$、$b$，有 $a\times {(b+1)} = a\times b + a$。

此定義通過數學歸納法可證明滿足乘法結合律、交換律等基本性質。

對於任意整數的乘法，需在自然數乘法基礎上引入符號規則。例如，負整數乘法定義為：若 $a$、$b$ 為自然數，則 ${(-a)}\times {(-b)} = a\times b$，而 ${(-a)}\times b = -{(a\times b)}$。這一擴展保持了乘法運算的代數結構一致性。

有理數乘法則通過分數形式定義：若 $\dfrac ab$ 與 $\dfrac cd$ 為最簡分數（$b$、$d\neq 0$），則其乘積為 $\dfrac{ac}{bd}$，分母通過集合論中的笛卡爾積構造，分子通過自然數乘法定義。此過程需驗證運算的封閉性與唯一性，例如通過交叉相乘消去公約數，確保結果仍為最簡分數。

實數乘法的定義依賴於有理數乘法的完備性。通過戴德金分割或柯西序列構造實數時，乘法運算被定義為極限運算：若 $\{a_n\}$ 和 $\{b_n\}$ 為收斂的有理數序列，則實數乘積定義為 $\lim (a_n\times b_n)$。此定義需滿足乘法與極限運算的交換性，並通過 $\epsilon - \delta$ 語言嚴格證明其合理性。

### 基於群論的乘法

在群論中，若一個集合在乘法運算下滿足封閉性、結合律、存在單位元且每個元素均有逆元素，則稱其構成群結構。這些公理構成了群的定義基礎。

以非零有理數集為例，其乘法運算滿足群的所有條件：單位元為1（不同於加法群的單位元0），每個非零有理數均存在乘法逆元，且乘法運算封閉（因為兩個非零有理數相乘仍為非零有理數）。但需注意的是，零必須被排除，因其乘法逆元不存在。此例中的群為阿貝爾群，但群論中並非所有乘法群均為阿貝爾群。

考慮可逆方陣群：給定域上同維數的可逆矩陣集合，其乘法運算滿足封閉性（矩陣相乘仍為同維可逆矩陣）、結合律、單位矩陣作為單位元，且每個矩陣均有逆矩陣。然而，矩陣乘法不滿足交換律（如 ${AB}\neq {BA}$），因此該群為非阿貝爾群。

即使排除零元素，整數集在乘法下也不構成群。原因在於除 $1$ 和 $-1$ 外，其他整數均無乘法逆元。這一特性凸顯了乘法群對逆元存在與否的嚴格要求。

群的乘號通常表示為點乘（$\cdot$）或直接省略不寫。在描述群時，點乘符號常用於明確運算，例如非零有理數乘法群可記為（$\mathbb{Q} \{0\}, \cdot$）。這種符號體系與加法群（如（$\mathbb{Z}, +$））形成對比，體現了運算類型的差異。

## 運算方法

### 歷史上的演算法

迄今為止發現的最早的乘法運算，是可追溯至舊石器時代初期的伊尚戈骨上的刻痕。劃痕可能是計數符號，也可能只是為了方便抓握，或有其他非數學的目的。

古埃及人採用連續加倍法進行整數和分數的乘法運算，這一方法在《萊因德數學紙草書》中有詳細記載。例如，計算 $13\times 21$ 時，通過將$21$依次加倍三次得到$42$、$84$、$168$，再根據加倍序列中的對應項，得出 ${(1 + 4 + 8)}\times 21 = 273$。

巴比倫人使用六十進制系統，其乘法運算與現代十進位類似，但因 $60\times 60 = 3600$ 種組合過多，他們通過製作包含前$20$個基數倍數的乘法表（如 $n, 2n, \ldots, 20n$ 及 $30n, 40n, 50n$）來簡化計算，如 $53n$ 可通過 $50n + 3n$ 的組合快速得出。

古希臘人以幾何圖形（如矩形）表示乘法，體現「乘積即面積」的思想。歐幾里得更是在《幾何原本》中用幾何方法證明乘法分配律。

中國古代擁有史上最早、最詳細的十進位位值制乘法規則，其首見於南北朝時期的孫子算經。孫子乘法的核心，是通過縱橫排列的算籌模擬位值運算，如計算 $49\times 36$ 時，先以算籌擺出 $49$ 和 $36$，再按「九九表」逐位相乘並累加，終得 $1764$。這種演算法在9世紀傳至中東，13世紀又譯成拉丁文而流行於歐洲。至於九九乘法表，則在戰國時期已成熟應用，其採用「小九九」形式，從「九九八十一」到「一一如一」，比古埃及的累加法效率提升數十倍。

阿拉伯穆斯林於9世紀引入印度數字和位值制，結合阿拉伯語符號形成計算體系，推動乘法運算標準化。而數學家花拉子米在接納中國的孫子乘法後，在《代數學》中將乘法與方程系統化結合，提出「還原與對消」法，將乘法納入代數運算框架，影響歐洲數學發展。

印度古代的乘法運算亦有發展。7世紀，數學家婆羅摩笈多提出「交叉相乘法」，即 $(a+b)(c+d) = ac+ad+bc+bd$，簡化多位數乘法步驟。例如計算 ${123}\times {456}$ 時，通過分項相乘再求和，減少重複計算。12世紀，印度文獻中出現類似中國古代「鋪地錦」的圖形化乘法，通過網格線段交叉點計數得出結果，後經阿拉伯傳入歐洲。「納皮爾的骨頭」便是借鑑「鋪地錦」的靈感產生的。

### 現代演算法

現代基於印度-阿拉伯數字系統的乘法，最早同樣由婆羅摩笈多系統闡述。他在7世紀著作《婆羅摩修正體系》中完整定義了加、減、乘、除四則運算的規則，其乘法體系包含多種演算法，現代豎式乘法即源於此。此演算法通過花拉子米的著作《印度數字算術》於9世紀初傳入阿拉伯世界，其《代數學》系統整合了印度數字與運算規則。13世紀，義大利數學家斐波那契在《計算之書》中推廣此法，最終使印度-阿拉伯數字系統取代羅馬數字成為歐洲主流。

由於歷史影響，華人小學生現在仍背誦九九乘法表來學習乘法。

兩個 $n$ 位數相乘的最快演算法是什麼？

關於電腦的特別演算法，以及其它現代運算法，詳見乘法算法。

### 其它演算法

#### 用手指算乘法

除了加法，在有限範圍內，乘法也可以用手指完成。為此，兩個因數需處於同一十位半區，也就是說，兩者要麼均以 $1$ 至 $5$ 結尾，要麼均以 $6$ 至 $0$ 結尾。

對於因數以 $1$ 至 $5$ 結尾的情況：

- 首先為手指編號：從小指開始，依次標記為 $10\cdot {(d-1)}+1$ 至拇指為 $10\cdot {(d-1)}+5$ （其中 $d$ 表示對應數的十位，如第二位為 $1$ 時，對應 $11$ 至 $15$）。
- 對齊兩個因數的手指後，數出下方手指總數（包括對齊的手指），將其乘以 $d\cdot 10$。
- 計算左右手下方手指（不包含對齊的手指）的乘積。
- 最後，加上常數項 ${d^2}\cdot 100$，結果即為所求。

對於因數以 $6$ 至 $0$ 結尾的情況：

- 類似地，從小指開始，依次標記為 $10\cdot {(d-1)}+6$ 至拇指為 $10\cdot d$ （其中 $d$ 表示對應數的十位，如第二位為 $1$ 時，對應 $16$ 至 $20$）。
- 對齊兩個因數的手指後，數出下方手指總數（包括對齊的手指），將其乘以 $d\cdot 10$ （同上）。
- 計算左右手上方手指（不包含對齊的手指）的乘積（同上）。
- 最後，加上常數項 $d\cdot {(d-1)}\cdot 100$，結果即為所求。

以 $7\times 8$ 為例：

$7$ 和 $8$ 均以 $6$ 至 $0$ 結尾，而 $d = 1$。對齊手指後，下方手指有 $5$ 根，乘以 $1\times 10 = 10$ 得 $50$；上方手指分別為 $3$ 根和 $2$ 根，積為 $3\times 2 = 6$；加法常數項 ${(1-1)}\cdot 1\cdot 100 = 0$，總和為 $50 + 6 + 0 = 56$。

再如 $24\times 22$：

$24$ 和 $22$ 均以 $1$ 至 $5$ 結尾，而 $d = 2$。對齊手指後，下方手指有 $6$ 根，乘以 $2\times 10 = 20$ 得到 $120$；下方手指分別為 $4$ 根和 $2$ 根，積為 $4\times 2 = 8$；加法常數項 ${2^2}\cdot 100 = 400$，總和為 $120 + 8 + 400 = 528$。

此方法尤其適用於快速心算平方數。對於不同十位或十位半區的因數，可通過分解為和的形式（如 ${(a+x)}\cdot {(a+y)}$）應用該技巧。其數學原理基於多項式展開：

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

#### 尺規作圖法

##### 從相交弦定理出發的尺規法

如圖1所示，過點 $O$ 作一直線，分別在 $O$ 點兩側截取長度為 $a$ 和 $b$ 的線段，得點 $A$ 和 $B$。再從 $O$ 出發，沿另一方向作射線，截取單位長度 $1$，得點 $E$。過 $A$、$B$、$E$ 三點作外接圓，該圓與第二條射線的交點 $C$ 滿足相交弦定理：

$$a\cdot b = \overline{OA} \cdot \overline{OB} = \underbrace{\overline{OE}}_{=1} \cdot \,\overline{OC}$$

$$\overline{OE} = 1 \Longrightarrow \overline{OC} = a\cdot b$$

此法通過構造三角形外接圓，將乘法轉化為幾何長度的投影關係。

##### 從割線定理出發的尺規法

如圖2所示，設圓外一點 $O$，沿同一方向截取長度為 $a$ 和 $b$ 的線段，得點 $A$ 和 $B$。過 $O$ 作與 $BO$ 成任意角 $\alpha$ 的射線，在該射線上截取單位長度 $1$，得點 $C$。作 $AB$ 和 $AC$ 的垂直平分線以確定圓心，過 $A$、 $B$、 $C$ 三點作外接圓，該圓與射線交於點 $D$。根據割線定理：

$$a\cdot b = \overline{OA} \cdot \overline{OB} = {\overline{OC}} \cdot\,\overline{OD}$$

通過調整射線角度 $\alpha$，可利用相似三角形關係將乘積轉化為圓外一點到交點的距離。

##### 從相似三角形出發的尺規法

如圖3所示，在射線 $A$ 上截取單位長度 $1$ 和長度 $b$，得點 $E$ 和 $B$，從 $E$ 出發，沿另一方向截取長度 $a$，得點 $C$。過 $C$ 作與 $AB$ 平行的直線，與過 $A$ 的射線交於點 $D$。由相似三角形關係可得：

$$\dfrac{\overline{AB}}{\overline{AC}} = \dfrac{\overline{BD}}{\overline{BC}}\Longrightarrow \overline{BD} = a\cdot b$$

此法通過構造平行線與相似三角形，將乘法運算轉化為幾何比例問題。