Paikkanumerojärjestelmä

Paikkalukujärjestelmä ( paikkanumero , paikallinen numerointi ) on numerojärjestelmä , jossa kunkin numeromerkin ( numeron ) arvo numeromerkinnässä riippuu sen sijainnista ( numerosta ) suhteessa desimaalierottimeen . Paikannusjärjestelmät mahdollistavat muihin verrattuna merkittävästi yksinkertaistaa aritmeettisten operaatioiden suorittamisen algoritmeja ja nopeuttaa laskelmia. Niiden luomisella ja levityksellä oli suuri rooli eksaktien tieteiden - matematiikan , tähtitieteen ja fysiikan - kehityksessä .

Numerojärjestelmät kulttuurissa
indoarabia
arabia
tamili
burma
Khmer
Lao
Mongolian
Thai
Itä-Aasialainen
Kiinalainen
japanilainen
Suzhou
korealainen
Vietnamilaiset
laskukepit
Aakkosellinen
Abjadia
armenia
Aryabhata
kyrillinen
kreikka
Georgian
Etiopian
juutalainen
Akshara Sankhya
Muut
Babylonian
egyptiläinen
etruski
roomalainen
Tonava
Ullakko
Kipu
Mayan
Egeanmeren
KPPU-symbolit
paikallinen
2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 8 , 10 , 12 , 16 , 20 , 60
Nega-asentoinen
symmetrinen
sekajärjestelmät
Fibonacci
ei-asentoinen
Yksikkö (yksittäinen)

Historia

Historiallisesti ensimmäinen paikkanumerointi, joka perustuu numeroiden paikalliseen merkitykseen, on johtunut sumereista ja babylonialaisista . Euraasian sivilisaatioista riippumatta vigesimaalisen paikkalukujärjestelmän keksivät maya- intiaanit . Myöhemmin hindut kehittivät tällaisen numeroinnin, ja sillä oli mittaamattomia seurauksia sivilisaation historiassa . Näihin järjestelmiin kuuluu desimaalilukujärjestelmä , jonka syntyminen liittyy sormilla laskemiseen . Keskiaikaisessa Euroopassa se ilmestyi italialaisten kauppiaiden kautta, jotka puolestaan ​​lainasivat sen arabeilta.

Määritelmät

Paikkalukujärjestelmä määritellään kokonaisluvulla , jota kutsutaan numerojärjestelmän kantapääksi. Lukujärjestelmää , jossa on kanta, kutsutaan myös -aryksi (erityisesti binääri , kolmiosainen , desimaali jne.).

Etumerkkinen kokonaisluku -aarilukujärjestelmässä esitetään luvun [1] äärellisenä lineaarisena yhdistelmänä :

, jossa  ovat kokonaislukuja, joita kutsutaan numeroiksi , jotka täyttävät epäyhtälön

Jokaista peruselementtiä tällaisessa esityksessä kutsutaan numeroksi ( position ), numeroiden ja niitä vastaavien numeroiden vanhemmuuden määrää numeron (position) numero ( eksponentin arvo).

Käyttämällä -ary- lukujärjestelmän paikkoja voit kirjoittaa kokonaislukuja välillä - , ts. kaikki eri numerot.

Numeroiden kirjoittaminen

Jos poikkeavuuksia ei ole (esimerkiksi kun kaikki numerot esitetään yksilöllisinä kirjoitettuina merkeinä), numero kirjoitetaan sen -aarinumeroiden sarjana, joka on lueteltu numeroiden tärkeysjärjestyksen mukaan laskevassa järjestyksessä vasemmalta oikealle [1 ] :

Nollasta poikkeavissa numeroissa etunollat ​​jätetään yleensä pois.

Numeroiden kirjoittaminen numerojärjestelmissä, joiden kantaluku on enintään 36, arabialaiset numerot (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) ja sitten latinalaisten aakkosten kirjaimet (a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, t, u, v, w, x, y, z ). Tässä tapauksessa a = 10, b = 11 jne., joskus x = 10.

Kun työskentelet useiden numerojärjestelmien kanssa samanaikaisesti, niiden erottamiseksi järjestelmän kanta ilmoitetaan yleensä alaindeksinä, joka kirjoitetaan desimaalijärjestelmään:

 on luku 123 desimaalimuodossa ;  - sama numero oktaalilukujärjestelmässä ;  - sama numero, mutta binäärijärjestelmässä ;  - sama numero, mutta desimaalilukujärjestelmässä desimaalilukujen binäärikoodauksella ( BCD );  - sama luku, mutta epäsymmetrisessä kolminumerojärjestelmässä ;  - sama luku, mutta symmetrisessä kolminumerojärjestelmässä merkit "i", "7", "2" ja "−" tarkoittavat "−1", merkit "1" ja "+" merkitsevät "+1" .

Joillakin erityisalueilla sovelletaan erityisiä perusteita koskevia sääntöjä. Esimerkiksi ohjelmoinnissa heksadesimaalijärjestelmää merkitään seuraavasti:

Joissakin C-kielen murteissa, analogisesti "0x":n kanssa, etuliitettä "0b" käytetään merkitsemään binäärilukuja (merkintä "0b" ei sisälly ANSI C -standardiin ).

Venäläisissä tileissä numeroiden kirjoittamiseen desimaalilukujen eksponentiaalisessa paikkalukujärjestelmässä käytetään unaarista desimaalitallennusjärjestelmää (esitys) desimaalinumeroille, jossa on yksi ylimääräinen unaari desimaaliluku "1111111111" = 10_ 10 jokaista numeroa kohden.

Esimerkkejä

Ominaisuudet

Paikkalukujärjestelmällä on useita ominaisuuksia:

Siten numeroiden luonnollinen järjestys vastaa niiden merkintöjen leksikografista järjestystä paikkanumerojärjestelmässä, edellyttäen, että nämä merkinnät on täytetty samanpituisilla etunollailla.

Talous

Digitaalisessa tekniikassa perusnumerojärjestelmä toteutetaan rekistereillä , jotka koostuvat kiikkujoukoista , joista jokainen voi olla eri tilassa, joka koodaa luvun numeroita. Samaan aikaan numerojärjestelmän taloudellisuus on erityisen tärkeä - kyky esittää mahdollisimman monta numeroa mahdollisimman pienellä merkkimäärällä. [1] Jos laukaisimien lukumäärä on , merkkien kokonaismäärä on , ja niiden edustamien numeroiden määrä on vastaavasti . Tämä lauseke saavuttaa maksiminsa funktiona e = 2,718281828 . [3] Kokonaislukuarvojen enimmäisarvo saavutetaan arvolla . Siten taloudellisin on kolminumerojärjestelmä (käytetään kolmiosaisissa tietokoneissa ), jota seuraa binäärijärjestelmä (perinteisesti käytetty useimmissa tietokoneissa) ja kvaternäärilukujärjestelmä.

Numerojärjestelmän tehokkuus on tärkeä seikka sen tietokoneen käytön kannalta. Siksi, vaikka kolmiosaisen järjestelmän käyttäminen binäärijärjestelmän sijaan tietokoneessa aiheuttaa suunnitteluvaikeuksia (tässä tapauksessa on tarpeen käyttää elementtejä, joista jokainen voi olla ei kahdessa, vaan kolmessa vakaassa tilassa), tämä järjestelmä on jo käytetty [4] joissakin tosielämän tietokoneissa. [yksi]S. V. Fomin

Vastaava kuvaus lukujärjestelmän taloudellisuudesta voidaan saada käyttämällä informaatioentropian käsitettä . Ehdolla jokaisen numeron esiintymisen tasatodennäköisyydellä numerotietueessa , n-bittisen luvun tietueen tietoentropia lukujärjestelmässä, jonka kanta on b , saa arvon (vakiokertoimeen asti ). Siksi lukujen tallennustiheys (eli tiedon määrä bittiä kohden) lukujärjestelmässä, jonka kanta on b , on yhtä suuri kuin , joka saa myös maksimiarvon kohdassa b = e ja kokonaislukuarvoilla b - kohdassa b = 3.

Vaihda toiseen kantaan

Muunna desimaalilukujärjestelmään

Jos kokonaisluku -aarilukujärjestelmässä on yhtä suuri kuin

sitten muuntaaksemme desimaalijärjestelmään laskemme seuraavan summan : [5]

tai Hornerin kaaviona :

Esimerkiksi:

Samanlaisia ​​toimia tapahtuu myös murto - osalle:

Desimaalikäännös

koko osa
  1. Jaa peräkkäin ( iteratiivisesti ) desimaaliluvun kokonaislukuosa kantaluvulla loppuosalla, kunnes desimaaliluvusta (yksityinen) tulee nolla.
  2. Jakamalla saadut jäännökset ovat halutun luvun numeroita. Numero uudessa järjestelmässä kirjoitetaan alkaen viimeisestä jäännöksestä. [5] [6]
Murto-osa
  1. Kerrotaan desimaaliluvun murto-osa sen järjestelmän pohjalla, johon haluat kääntää, ja erotetaan koko osa. Jatkamme murto-osan kertomista uuden järjestelmän pohjalla ja erotamme kokonaislukuosan, kunnes luku on täsmälleen 0.
  2. Murtoluvut uudessa lukujärjestelmässä ovat ensimmäisessä vaiheessa saatuja kokonaislukuosia, jotka alentuessaan iästään murto-osan merkittävimmästä numerosta menevät siinä järjestyksessä, jossa ne saatiin ja vastaanotettiin.

Huom . Joskus kun käännetään rationaalinen murtoluku desimaalijärjestelmästä tällaisilla algoritmeilla, voidaan saada ääretön jaksollinen murtoluku: esimerkiksi . Jakson löytämiseksi sinun on suoritettava ensimmäisessä kappaleessa kuvatut iteraatiot ja ymmärrettävä, löytyykö sama murto-osa kuin se oli useita iteraatioita sitten [7] . (Säännölliset murtoluvut eri lukujärjestelmissä on kirjoitettu alla .)

Esimerkkejä

Muunnetaan binäärimuotoon:

44 jaettuna 2:lla. osamäärä 22, jäännös 0 22 jaettuna 2:lla. osamäärä 11, jäännös 0 11 jaettuna 2:lla. osamäärä 5, jäännös 1 5 jaettuna 2:lla. osamäärä 2, jäännös 1 2 jaettuna 2:lla. osamäärä 1, jäännös 0 1 jaettuna 2:lla. osamäärä 0, jäännös 1

Osamäärä on nolla - jako on ohi. Nyt, kirjoittamalla kaikki loput alhaalta ylöspäin, saamme numeron

Murto-osan algoritmi näyttää tältä:

Kerro 0,625 kahdella. Murto-osa on 0,250. koko osa 1. Kerro 0,250 kahdella. Murto-osa on 0,500. Kokonaisluvun osa 0. Kerro 0,500 kahdella. Murto-osa on 0,000. koko osa 1.

Tällä tavalla,

Muuntaminen binääristä oktaali- ja heksadesimaalijärjestelmiin

Tämän tyyppiselle toiminnalle on olemassa yksinkertaistettu algoritmi. [kahdeksan]

Koko osa

Oktaalille jaamme käännetyn luvun lukuisiin numeroihin, jotka ovat yhtä suuria kuin 2:n potenssi (2 nostetaan potenssiin, joka vaaditaan sen järjestelmän perustan saamiseksi, johon haluat kääntää (2³ \u003d 8), tässä tapauksessa 3, eli kolmikot). Muunnetaan kolmikot triaditaulukon mukaan:

000 - 0; 100 - 4; 001 - 1; 101 - 5; 010 - 2; 110 - 6; 011 - 3; 111-7.

Heksadesimaalilukua varten jaamme käännetyn luvun lukuisiin numeroihin, jotka ovat yhtä suuria kuin 2:n potenssi (2 nostetaan potenssiin, joka tarvitaan käännettävän järjestelmän perustan saamiseksi (2 4 \u003d 16), tässä tapauksessa 4, eli tetradit). Muunnetaan tetradit tetraditaulukon mukaan:

0000 - 0; 0100 - 4; 1000 - 8; 1100 -C; 0001 - 1; 0101 - 5; 1001 - 9; 1101 - D; 0010 - 2; 0110 - 6; 1010 - A; 1110 - E; 0011 - 3; 0111 - 7; 1011 - B; 1111-F.

Esimerkki:

muunna 101100 2 oktaali - 101 100 → 54 8 heksadesimaali - 0010 1100 → 2C 16 Murto-osa

Murto-osan muuntaminen binäärilukujärjestelmästä lukujärjestelmiin, joiden kanta on 8 ja 16, suoritetaan täsmälleen samalla tavalla kuin luvun kokonaislukuosat, sillä ainoalla poikkeuksella, että jaottelu oktaaveiksi ja tetradeiksi menee desimaalipilkun oikealla puolella puuttuvat numerot on täytetty nollilla oikealle. Esimerkiksi edellä käsitelty luku 1100.011 2 näyttäisi 14.3 8 tai C.6 16 .

Muuntaminen oktaali- ja heksadesimaalijärjestelmistä binäärisiksi [8]

Tämän tyyppiselle toiminnalle on olemassa myös yksinkertaistettu algoritmi, päinvastoin kuin yllä oleva algoritmi.

Oktaalille muunnamme taulukon mukaisesti kolmoisiksi:

0 000 4 100 1001 5101 2010 6 110 3011 7111

Heksadesimaalilukuja varten muunnamme taulukon mukaan kvarteteiksi:

0 0000 4 0100 8 1000 C 1100 1 0001 5 0101 9 1001 D 1101 2 0010 6 0110 A 1010 E 1110 3 0011 7 0111 B 1011 F 1111

Esimerkki:

muuttaa 54 8 → 101 100 2 2C 16 → 0010 1100 2

Muunnelmia ja yleistyksiä

Rationaalisten lukujen kirjoittaminen

Rationaalinen luku -aarilukujärjestelmässä esitetään luvun potenssien lineaarisena yhdistelmänä (yleisesti sanottuna äärettömänä) :

jossa  - kokonaislukuosan numerot (ennen erotinta ),  - murto-osan numerot (erottimen jälkeen),  - kokonaislukuosan numeroiden lukumäärä.

Ainoastaan ​​rationaaliluvuilla, jotka voidaan esittää muodossa , missä ja  ovat kokonaislukuja, eli niillä, jotka kerrottuaan emäksellä äärellisessä määrässä iteraatioita, voivat saada kokonaisluvun, voivat olla äärellisiä -aarilukujärjestelmässä :

jossa ja ovat -ary merkinnät, vastaavasti , osamäärä ja jäännös jako .

Rationaaliluvut, joita ei voida esittää muodossa , kirjoitetaan jaksollisina murtolukuina .

Symmetrinen lukujärjestelmät

Symmetriset (tasapainotetut, merkkinumeroiset) peruslukujärjestelmät eroavat siinä, että niissä ei käytetä numeroita joukosta , vaan joukosta, jossa karkeasti sanottuna kaikki luvut "heijastuvat" suhteessa nollaan. Jotta luvut olisivat kokonaislukuja, niiden on oltava parittomia. Symmetrisissä lukujärjestelmissä luvun etumerkille ei tarvita lisämerkintöjä. [9] Lisäksi laskelmat symmetrisissä järjestelmissä ovat käteviä, koska erityisiä pyöristyssääntöjä ei vaadita  - pyöristys lähimpään kokonaislukuun vähenee ylimääräisten bittien yksinkertaisesti hylkäämiseen, mikä vähentää huomattavasti systemaattisia virheitä laskelmissa.

Yleisimmin käytetty on symmetrinen numeerinen kolminumerojärjestelmä . Sitä käytetään ternäärilogiikassa ja se toteutettiin teknisesti Setun -tietokoneessa .

Negatiiviset perusteet

On olemassa paikannusjärjestelmiä, joissa on negatiivinen kanta, jota kutsutaan ei-positiaalisiksi :

  • −2  - ei-binäärinen lukujärjestelmä ;
  • −3  — negatiivinen kolmiosainen lukujärjestelmä;
  • −10  — negatiivinen desimaalilukujärjestelmä.

Ei-kokonaislukukannat

Joskus otetaan huomioon myös paikkalukujärjestelmät, joissa on ei-kokonaislukukannat: rationaalinen , irrationaalinen , transsendentaalinen .

Esimerkkejä tällaisista numerojärjestelmistä ovat:

Monimutkaiset pohjat

Paikkalukujärjestelmien kantakohdat voivat olla myös kompleksilukuja [11] [12] . Samanaikaisesti niissä olevat luvut ottavat arvot jostakin äärellisestä joukosta , joka täyttää ehdot, joiden avulla voit suorittaa aritmeettisia operaatioita suoraan näiden numerojärjestelmien numeroesitysten kanssa.

Erityisesti monimutkaisten kantalukujärjestelmien joukosta voidaan erottaa binääriluvut, joissa käytetään vain kahta numeroa 0 ja 1.

Esimerkkejä

Seuraavaksi kirjoitetaan paikkalukujärjestelmä seuraavassa muodossa , jossa  on numerojärjestelmän kanta ja A  on numerosarja. Erityisesti sarja A voi näyttää tältä:

  • missä ja . Kun sarja muuttuu sarjaksi .

Esimerkkejä lukujärjestelmistä, joissa on kompleksikanta, ovat (jäljempänä j  - imaginaariyksikkö ):

Binäärikompleksilukujärjestelmät

Seuraavat ovat binääristen paikkalukujärjestelmien kantakohdat ja niissä olevien lukujen 2, −2 ja −1 esitykset:

  • : (luonnollinen lukujärjestelmä);
  • : , , (ei-paikkalukujärjestelmä);
  • : , , (lukujärjestelmä, jossa on kompleksinen kanta);
  • : , , (lukujärjestelmä, jossa on kompleksinen kanta);
  • : , , (lukujärjestelmä, jossa on kompleksinen kanta);
  • : , , (lukujärjestelmä, jossa on kompleksinen kanta).

Ei-eksponentiaaliset lukujärjestelmät

Eksponentiaaliset lukujärjestelmät ovat eksponentiaalisesti riippuvaisten paikkalukujärjestelmien erikoistapaus . Eksponentiaalisen riippuvuuden sijaan voi olla muita riippuvuuksia. Esimerkiksi hyperoperaattorin paikkanumerojärjestelmä

voit kirjoittaa suurempia numeroalueita samalla merkkimäärällä.

Muistiinpanot

  1. 1 2 3 4 S. V. Fomin . Numerojärjestelmät . - M .: Nauka, 1987. - 48 s. - ( Suosittuja matematiikan luentoja ). ( vaihtoehtoinen linkki Arkistoitu 2. kesäkuuta 2013 Wayback Machinessa )
  2. Bityukov Sergei. 13 ääntä ja intervalleja. Heidän käsityksensä ja nimeämisensä. Poikkeaman ja modulaation nauhat  (venäjäksi)  ? . Habr (7. elokuuta 2021). Haettu 26. elokuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 12. elokuuta 2021.
  3. Hayes, Brian. Kolmas kanta  (englanniksi)  // American Scientist :lehti. - 2001. - Voi. 89 , ei. 6 . - s. 490-494 . doi : 10.1511 / 2001.40.3268 .
  4. Katso Kolminkertainen tietokone .
  5. ↑ 1 2 Numeroiden muuntaminen numerojärjestelmästä toiseen verkossa . matworld.ru . Haettu 8. toukokuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 9. toukokuuta 2021.
  6. Luku 4 - Tietokoneiden aritmeettiset perusteet . mif.vspu.ru . Haettu 8. toukokuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 19. helmikuuta 2020.
  7. Murtolukujen kääntäminen numerojärjestelmästä toiseen - oppitunti. Tietojenkäsittelytiede, luokka 11. . www.yaklass.ru _ Haettu 8. toukokuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 8. toukokuuta 2021.
  8. ↑ 1 2 Lukujen muuntaminen binääriluvuista oktaaliksi ja heksadesimaalilukuiksi ja päinvastoin . www.5byte.ru _ Haettu 8. toukokuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 15. toukokuuta 2021.
  9. S. B. Gashkov. Numerojärjestelmät ja niiden sovellukset . - 2004. - 52 s. - ( Kirjasto "Matemaattinen koulutus" ). — ISBN 5-94057-146-8 . Arkistoitu kopio (linkki ei saatavilla) . Haettu 8. maaliskuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 12. tammikuuta 2014. 
  10. A. V. Nikitin Bergman -järjestelmä Arkistokopio päivätty 5. toukokuuta 2009 Wayback Machinessa .
  11. 1 2 Khmelnik S. I. Erikoistunut digitaalinen tietokone operaatioihin kompleksilukujen kanssa  // Radioelektroniikan ongelmat. - 1964. - T. XII , numero. 2 .  (linkki ei saatavilla)
  12. 1 2 Knuth DE Imaginary Number System // ACM:n tiedonsiirto. - 1960. - V. 3 , nro 4 . - S. 245-247 . - doi : 10.1145/367177.367233 .
  13. 1 2 Khmelnik S.I. Kompleksilukujen ja vektorien koodaus . — Matematiikka tietokoneissa. - Israel, 2004. - ISBN 978-0-557-74692-7 .
  14. Khmelnik S. I. Kompleksilukujen paikannuskoodaus  // Radioelektroniikan ongelmat. - 1966. - T. XII , numero. 9 .  (linkki ei saatavilla)
  15. Khmelnik S.I. Menetelmä ja järjestelmä kompleksilukujen käsittelyyn . - Patentti USA, US2003154226 (A1). – 2001.

Linkit