ARITHMETIC: A Textbook for Math 01 3rd edition

169 Pages·2012·2.47 MB·English

ARITHMETIC:
A Textbook for Math 01
3rd edition (2012)
Anthony Weaver
Department of Mathematics and Computer Science
Bronx Community College
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3rd Edition. Copyright cAnthony Weaver, June 2012, Department of Mathematics and Computer
!
Science, CPH 315, Bronx Community College, 2155 University Avenue, Bronx, NY 10453.
Thanks to the following colleagues for various combinations of proof-reading, technical help, im-
provements in pedagogy and/or exposition:
Nikos Apostolakis, Luis Fernandez, Marie Hercule, Uma Iyer, Toni Kasper, Alexander Kheyfits,
Roman Kossak, George Leibman, Emanuel Paki, Maria Psarelli, Philipp Rothmaler, Camilo Sanabria.
Responsibility for errors remains with me.
– A.W. June, 2012.
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Contents
1 Whole Numbers 9
1.0.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1 Adding Whole Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.1 Commutativity, Associativity, Identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.2 Multi-digit addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.3 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Subtracting Whole Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Commutativity, Associativity, Identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2 Multi-digit subtractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.3 Checking Subtractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.4 Borrowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 Multiplying Whole Numbers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.1 Commutativity, Associativity, Identity, the Zero Property . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.2 Multi-digit multiplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.3 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4 Powers of Whole Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.1 Squares and Cubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.2 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.3 Square Roots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.5 Division of Whole Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.5.1 Quotient and Remainder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5.2 Long Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.3 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.6 Order of operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.7 Average . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.7.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.8 Perimeter, Area and the Pythagorean Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.8.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2 Fractions and Mixed Numbers 49
2.1 What fractions mean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2 Proper and Improper Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.1 Zero as Numerator and Denominator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5
2.2.2 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3 Mixed Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.1 Converting an improper fraction into a mixed or whole number . . . . . . . . . . 53
2.3.2 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.3 Converting a mixed or whole number to an improper fraction . . . . . . . . . . . 55
2.3.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4 Multiplication of Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5 Equivalent Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5.1 Cancellation and Lowest Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5.2 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.6 Prime Factorization and the GCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.6.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6.2 Finding the GCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6.3 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.6.4 Cancelling the GCF for lowest terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.6.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.7 Pre-cancelling when Multiplying Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.8 Adding and Subtracting Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.8.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.8.2 Adding and Subtracting Unlike Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.8.3 The LCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.8.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.8.5 The LCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.8.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.9 Comparison of Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.9.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.10 Division of Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.10.1 Reciprocals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.10.2 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.10.3 Division is Multiplication by the Reciprocal of the Divisor . . . . . . . . . . . . . 79
2.10.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.11 Mixed Numbers and Mixed Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.11.1 Vertical Addition and Subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.11.2 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.11.3 Measurements in Mixed Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.11.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.12 Combined operations with fractions and mixed numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.12.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3 Decimals and Percents 91
3.1 Decimal place values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.1.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.2 Significant and Insignificant 0’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.3 Comparing Decimals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.3.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
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3.4 Rounding-off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.5 Adding and Subtracting Decimals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.5.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.6 Multiplying and Dividing Decimals by Powers of 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.6.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.7 Multiplication of general decimals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.7.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.8 Division of a decimal by a whole number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.8.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.9 Division of a decimal by a decimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.9.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.10 Percents, Conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.10.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.11 Fractional parts of numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.11.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4 Ratio and Proportion 115
4.1 Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.1.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.2 Proportions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.2.1 The cross-product property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.2.2 Solving a proportion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.3 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3 Percent problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.4 Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.4.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.5 Similar triangles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.5.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5 Signed Numbers 135
5.1 Adding signed numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.1.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.1.2 Opposites, Identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.1.3 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.1.4 Associativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.1.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2 Subtracting signed numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.3 Multiplying Signed Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.3.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.4 Dividing Signed Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.4.1 Division and 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.4.2 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.5 Powers of Signed Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.5.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Page 7
5.6 Square Roots and Signed Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.6.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.7 Evaluating Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.7.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.8 Using Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.8.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.9 Linear Equations in One Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.9.1 Finding solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.9.2 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Page 8
Chapter 1
Whole Numbers
The natural numbers are the counting numbers: 1,2,3,4,5,6,.... The dots indicate that the sequence
is infinite – counting can go on forever, since you can always get the next number by simply adding 1
to the previous number. In order to write numbers efficiently, and for other reasons, we also need the
number 0. Later on, we will need the sequence of negative numbers 1, 2, 3, 4, 5, 6,.... Taken
− − − − − −
together, all these numbers are called the integers.
It helps to visualize the integers laid out on a number line, with 0 in the middle, and the natural
numbers increasing to the right. There are numbers between any two integers on the number line. In
fact, every location on the line represents some number. Some locations represent fractions such as
one-half (between 0 and 1) or four-thirds (between 1 and 2). Other locations represent numbers which
cannot be expressed as fractions, such as π. (π is located between 3 and 4 and expresses the ratio of
the circumference to the diameter of any circle.)
5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5
− − − − −
For now, we concentrate on the non-negative integers (including 0), which we call whole numbers.
We need only ten symbols to write any whole number. These symbols are the digits
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
We write larger whole numbers using a place-value system. The digit in the right-most place
indicates how many ones the number contains, the digit in the second-from-right place indicates how
many tens the number contains, the digit in the third-from-right place indicates how many hundreds
the number contains, etc.
Example 1.
7 stands for 7 ones
72 stands for 7 tens + 2 ones
349 stands for 3 hundreds + 4 tens + 9 ones
6040 stands for 6 thousands + 0 hundreds + 4 tens + 0 ones
Notice that when you move left, the place value increases ten-fold. So if a number has five digits,
the fifth-from-right place indicates how many ten-thousands the number contains. (Ten-thousand is ten
times a thousand.)
9
1.0.1 Exercises
1. 35 stands for
2. 209 stands for
3. 9532 stands for
4. 21045 stands for
1.1 Adding Whole Numbers
When we add two or more integers, the result is called the sum. We assume you know the sums of
single-digit numbers. For practice, do the following example.
Example 2. Fill in the missing squares in the digit-addition table below. For example, the number in
the row labelled 3 and the column labelled 4 is the sum 3+4 = 7.
+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1
2
3 7
4
5
6
7 12
8
9
Table 1.1: The digit addition table
1. Do you notice any patterns or regularities in the digit-addition table? Can you explain them?
2. Why is the second line from the top identical to the top line?
3. What can you say about the left-most column and the second-from-left column?
1.1.1 Commutativity, Associativity, Identity
The first question leads us to an important property of addition, namely, that for any two numbers x
and y,
x +y = y +x.
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