Переменные и постоянные величины – это не совсем просто
Школьная математика всегда убеждала и продолжает убеждать нас в том, что вопрос о переменных и постоянных величинах решается очень просто. Переменными считаются величины, которые в условиях данной задачи могут принимать различные значения. Постоянными считаются величины, которые в условиях данной задачи свои значения не меняют.
При этом дополнительно сообщается, что деление величин на переменные и постоянные достаточно условно и зависит от обстоятельств, сопровождающих процесс решения задачи. Одна и та же величина, которая в одних условиях считалась постоянной, в других условиях должна рассматриваться как переменная. Классический пример: сопротивление проводника считается постоянным, пока мы не оказываемся вынужденными учитывать зависимость величины его сопротивления от температуры окружающей среды.
Но, как показывает практика, всего вышеуказанного для корректного решения той или иной задачи бывает недостаточно.
Что такое величина, каждому ясно интуитивно. Уточним это понятие.
В общем случае содержанием процесса решения задачи есть преобразование величин. При этом следует понимать, что в общефилософском смысле величина, представляющая результат решения задачи, уже содержится в её формулировке в неявном виде. Нужно только правильно построить процесс преобразования величин задачи, чтобы этот результат представить явно.
Будем называть величиной любой математический объект, который несет (или может нести) информацию о том или ином значении.
Форма представления величин может быть различной. Например, величина с числовым значением, равным действительной единице, может быть представлена десятичной константой 1,0, функцией Cos(0), а также арифметическим выражением 25,0 – 15,0 – 9,0.
Значения величин можно менять. Так, в результате выполнения действия x = 1,0 величина в форме переменной x оказывается носителем значения действительной единицы. При этом предыдущее значение переменной x теряется. Приведённые примеры уже несколько с иных позиций показывают, что величины могут быть переменными и постоянными.
Переменные величины обладают тем свойством, что их значения могут быть изменены в результате выполнения тех или иных действий. И это значит, что понятие “переменная величина” отражает возможность, но не факт изменения.
Постоянной величиной (константой) следует считать ту, значение которой, в отличие от переменной, изменить принципиально невозможно.
Например, значение постоянной величины в виде выражения 12+3 равно 15, и изменить его нельзя. При этом необходимо фиксировать смысл знаков, с помощью которых представляется величина. В противном случае, если считать, например, знаки этого выражения цифрами в системе счисления с основанием 5, то тогда его значение окажется равным 10.
Итак, в математических текстах носителями значений, то есть величинами, являются переменные, константы, обращения к функциям (или просто функции), а также выражения.
Особенности переменных
Обозначения, с которыми связываются определённые значения, в математике называют переменными (термин употребляется как имя существительное).
Например, значение переменной величины x+1 зависит от значения, связанного с обозначением x. Здесь обозначение x используется в качестве переменной. Изменив значение переменной x, мы тем самым изменим и значение переменной величины x+1.
Таким образом, значения переменных величин зависят от значений переменных, которые входят в их состав. Отличительным свойством переменной является то, что конкретное её значение должно быть ей просто приписано (назначено).
Математический подход, определяющий возможность вычисления значений переменных, в данном контексте оказывается неправильным. В математике можно вычислять только значения выражений.
Основное условие использования переменной в математических текстах в окончательном виде таково: для обращения к переменной достаточно указать её обозначение.
Особенности констант
В математических текстах могут быть использованы две разновидности констант: константы-лексемы и именованные константы.
Кстати, программисты на языках высокого уровня, пользуются этим на вполне формальных (законных) основаниях.
С помощью констант-лексем значения постоянных величин указываются непосредственно без выполнения каких-либо операций. Например, для получения значения постоянной величины 12+3, которая является выражением, необходимо выполнить сложение двух констант-лексем 12 и 3.
Именованная константа представляет собой обозначение, сопоставленное конкретному значению, указанному в виде константы-лексемы.
Такой приём широко используется в естественных науках из соображений удобства записи физических, химических, математических и иных формул. Например: g = 9,81523 – ускорение свободного падения на широте Москвы; π = 3,1415926 – число $π$.
Помимо компактной записи выражений, именованные константы обеспечивают наглядность и значительные удобства в работе с математическими текстами.
Своё значение именованная константа приобретает как результат предварительной договорённости.
Важное свойство любой именованной константы состоит в том, что её значение не рекомендуется менять в пределах некоторого математического текста.
Выражения
Выражения являются составными частями подавляющего большинства математических текстов. С помощью выражений задают порядок вычисления новых значений на основании других заранее известных значений.
В общем случае в составе выражений используют операнды, знаки операций и регулирующие круглые (квадратные, фигурные) скобки.
Операнды – это общее название объектов, значения которых используют при выполнении операций. Операндами могут быть переменные, константы и функции. Кстати, этот термин весьма популярен в среде программистов. Фрагмент выражения, заключённый в регулирующие скобки, рассматривается как отдельный составной операнд.
Знак операции символизирует вполне определённую совокупность действий, которые должны быть выполнены над соответствующими операндами. Регулирующие скобки устанавливают нужный порядок выполнения операций, который может отличаться от предусмотренного приоритетом операций.
Простейшим случаем выражения является отдельный операнд. В таком выражении нет знаков операций.
Операнд-функция имеет свои особенности. Как правило, такой операнд представляет собой наименование (или знак) функции с последующим указанием в круглых скобках перечня её аргументов. В данном случае круглые скобки являются неотъемлемой принадлежностью функций и к регулирующим не относятся. Отметим, что во многих случаях в операндах-функциях обходятся без скобок (например, 5! – вычисление факториала целого числа 5).
Математические операции
Основные особенности математических операций таковы:
- знаки операций могут быть указаны с помощью специальных символов, а также с помощью специально оговоренных слов;
- операции могут быть унарными (выполняемыми над одним операндом) и бинарными (выполняемыми над двумя операндами);
- для операций установлены четыре уровня приоритетов, определяющих порядок вычисления выражения.
Таблица знаков некоторых операций и уровней приоритетов
Правила вычисления сложного выражения, содержащего цепочку операций при отсутствии регулирующих скобок, следующие:
- cначала вычисляются значения всех функций;
- затем поочерёдно выполняются операции в порядке убывания их приоритета;
- операции равного приоритета выполняются по порядку слева направо.
При наличии регулирующих скобок выражение содержит составные операнды, значения которых должны быть вычислены в первую очередь.
Некоторые особенности записи математических выражений:
- не рекомендуется пропускать знаки операций, хотя во многих случаях можно пропустить знак умножения;
- аргументы функций желательно указываться в круглых скобках;
- указание подряд двух и более знаков бинарных операций недопустимо; формально допустимо использование нескольких знаков унарных операций подряд, в том числе и вместе с бинарной.
