Система счисления (нумерация лат. numeratio) - метод обозначения чисел посредством знаков - цифр, или слов. Система обозначения, основанная на цифрах - письменная нумерация. Система обозначения, основанная на словах - словесная нумерация.
Системы счисления разделяют на позиционные и непозиционные .
Различие позиционных систем счисления от непозиционных состоит в том, что значение цифр в позиционной системе зависит от позиции в числе, а в непозиционной - не зависит. Примеры позиционных систем счисления: десятичная система счисления, основанная на арабских цифрах; система Майя (20-ричная). Примеры непозиционных систем счисления - римская, старая и новая греческая, славянская.
Позиционные и многие непозиционные системы счисления имеют так называемое основание. Основание также определяет деления чисел на порядки. Числа, меньшие основания, называются числами первого порядка, до второй степени основания (n·n) - числами второго и так далее. Числа, соотносящиеся на основание, считаются различающимися на один порядок.
Системы счисления, обладающие основанием, имеют регулярную структуру названий - числа, отличающиеся на порядок, образуются подобным образом. Для позиционных систем счисления основание означает, во сколько раз изменится значение цифры при смещении на одну позицию - 3 и 30 в десятичной системе отличаются в десять раз. Непозиционные системы счисления обычно включают знаки для чисел, меньших основания и помноженных на целую степень основания, например римская - I=1, V=5, X=10, L=50, C=100 - цифры I к X и к C, относятся как основание системы счисления, аналогично относятся V и L.
Системы счисления, также различающиеся тем, как образуются числа внутри порядка. Один очевидный способ образования - повторение символа единицы необходимое количество раз - он используется во многих древних системах - египетской, старой греческой, римской и других. Такой подход обеспечивает использование достаточно малое количество различных символов, но является весьма расточительным. Нередким в таких системах было использование дополнительного основания, меньшего основного. Числа, одного порядка формировались аналогично с использованием дополнительного основания. Это позволяло значительно сократить количество повторений. Дополнительными основаниями часто служили 5 и 10. Так, отдельный символ для обозначения 5 есть в старой греческой и римской нумерации - Γ и V, а также у майя 5 в качестве промежуточного основания связан со счётом по пальцам, и обозначал, что закончились пальцы на руке (или ноге). Промежуточное основание 10 использовалось в древневавилонской клинописной 60 системе счисления.
Другой способ, использовавшийся в более новых - использование различных символов. Такой подход используется широко используемой десятичной системе счисления – цифры 1, 2, 3. 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0. Такой же подход применялся в новогреческой и заимствованной от неё древнерусской. В них в качестве цифр использовались буквы - в новой греческой это греческий алфавит , в древнерусской – кириллица или глаголица, причём цифровые значения букв кириллица полностью соответствовали таковым в греческом, у глаголицы отличались. Эти системы использовали 27 букв со значениями: от 1 до 9 через один, 10 по 90 через десяток, 100 по 900 - через сотню.
Непозиционные системы счисления
Непозиционные системы счисления появились исторически первыми. В этих системах значение каждого цифрового символа постоянно и не зависит от его положения. Простейшим случаем непозиционной системы является единичная, для которой для обозначения чисел используется единственный символ, как правило это черта, иногда точка, которых всегда ставится количество, соответствующее обозначаемому числу:
3 - |||, и т. д.
Таким образом, этот единственный символ имеет значение единицы, из которой последовательным сложением получается необходимое число:
Модификацией единичной системы является система с основанием, в которой есть символы не только для обозначения единицы, но и для степеней основания. Например, если за основание взято число 5, то будут дополнительные символы для обозначения 5, 25, 125 и так далее.
Примером такой системы с основанием 10 является древнеегипетская, возникшая во второй половине третьего тысячелетия до новой эры. В этой системе имелись следующие иероглифы:
шест - единицы,
дуга - десятки,
пальмовый лист - сотни,
цветок лотоса - тысячи.
Числа получались простым сложением, порядок следования мог быть любым. Так, для обозначения, например, числа 3815, рисовали три цветка лотоса, восемь пальмовых листов, одну дугу и пять шестов. Более сложные системы с дополнительными знаками - старая греческая, римская. Римская также использует элемент позиционной системы - большая цифра, стоящая перед меньшей, прибавляется, меньшая перед большей - вычитается: IV = 4, но VI = 6, этот метод, правда, применяется исключительно для обозначения чисел 4, 9, 40, 90, 400, 900, 4000, и производных их сложением.
Новогреческая и древнерусская системы использовали в качестве цифр 27 букв алфавита, где ими обозначалось каждое число от 1 до 9, а также десятки и сотни. Такой подход обеспечил возможность записывать числа от 1 до 999 без повторений цифр.
В старорусской системе для обозначения больших чисел использовались специальные обрамления вокруг цифр.
В качестве словесной системы нумерации до сих пор практически везде используется непозиционная. Словесные системы нумерации сильно привязаны к языку, и общие их элементы в основном относятся к общим принципам и названиям больших чисел (триллион и выше). Общие принципы, положенные в основу современных словесных нумераций предполагают формирование обозначения посредством сложения и умножения значений уникальных названий.
Позиционные системы счисления
В позиционных системах счисления важную роль играет порядок следования цифр. Каждая цифра в позиционной записи имеет свою позицию, которая определяет её численное значение. Позиции цифр носят название разрядов.
Для позиционной с. с. Выбирается основанием некоторое натуральное число большее или равное двум. Любое неотрицательное целое число представляется как сумма степеней n с целыми коэффициентами в диапазоне от 0 до n-1. Эти коэффициенты записываются в виде цифр выбранной системы счисления.
Общая система счисления может быть определена, как такая группировка целых и дробных чисел, при которой каждое из них представляется формулой:
в которой n означает основание системы счисления, а символ ai - i -тую цифру записи числа, ai должно лежать в диапазоне от 0 доn-1. Индекс при цифре является номером разряда.
В информатике и вычислительной технике часто используются основания 2 (двоичная), 8 (восмеричная) и 16 (шестнадцатеричная). Двоичная система счисления связана с особенностями функционирования цифровых электронных схем , работающих с двумя состояниями, выражаемыми цифрами 0 и 1. Использование систем счисления с основаниями 8 и 16 связано с тем, что для удобства двоичные цифры группируются по 3 и 4 соответственно, что позволяет использовать более компактную запись. В шестнадцатеричной и других системах счисления с основанием больше десяти используют в качестве недостающих цифр буквы латинского алфавита: A - F.
Шестнадцатеричная система счисления используется для кодирования дискретного сигнала, потребителем которого является хорошо подготовленный пользователь – специалист в области информатики. В такой форме представляется содержимое любого файла, затребованное через интегрированные оболочки операционной системы, например, средствами Norton Commander в случае MS DOS. Используемые знаки для представления числа – десятичные цифры от 0 до 9 и буквы латинского алфавита – A, B, C, D, E, F.
Десятичная система счисления используется для кодирования дискретного сигнала, потребителем которого является так называемый конечный пользователь – неспециалист в области информатики (очевидно, что и любой человек может выступать в роли такого потребителя). Используемые знаки для представления числа – цифры от 0 до 9.
Соответствие между первыми несколькими натуральными числами всех трех систем счисления представлено в таблице перевода:
Десятичная | Двоичная система | Шестнадцатеричная система |
Для различения систем счисления, в которых представлены числа, в обозначение двоичных и шестнадцатеричных чисел вводят дополнительные реквизиты:
для двоичных чисел – нижний индекс справа от числа в виде цифры 2 или букв В либо b (binary – двоичный), либо знак B или b справа от числа. Например, 1010002 = 101000b = 101000B = 101000B = 101000b;
для шестнадцатеричных чисел - нижний индекс справа от числа в виде числа 16 или букв H либо h (hexadecimal – шестнадцатеричный), либо знак H или h справа от числа. Например, 3AB16 = 3ABH= 3ABh = 3ABH = 3ABh.
Для перевода чисел из одной системы счисления в другую существуют определенные правила. Они различаются в зависимости от формата числа – целое или правильная дробь. Для вещественных чисел используется комбинация правил перевода для целого числа и правильной дроби.
Правила и примеры перевода из двоичной в десятичную систему счисления
Имеется следующая последовательность нулей и единиц: - всего 9 разрядов. Необходимо представить ее в десятичном виде. Для перевода в десятичную систему счисления запишем справа налево 9 степеней числа 2 (от 0 до 8 степени), все просто, каждое последующее число получается путем умножения предыдущего на 2:
Запишем под степенями наше двоичное число (слева направо, как есть):
Затем найдем сумму тех степеней двойки, под которыми стоят единицы:
256 + 32 + 4 + 1 = 293, это и есть результат перевода:
Итак, запишем правило перевода из двоичной системы счисления в десятичную:
Для перевода чисел из двоичной системы счисления в десятичную сосчитаем количество разрядов N и запишем степени двух от нулевой до N - 1 справа налево (помним, что каждая последующая степень получается умножением предыдушей на 2). Запишем под ними двоичное число и найдем сумму тех степеней, под которыми стоят единицы. Результатом будет десятичное число, представленное в виде суммы различных степеней числа 2.
Известно множество способов представления чисел. В любом случае число изображается символом или группой символов (словом) некоторого алфавита. Такие символы называют цифрами.
Системы счисления
Для представления чисел используются непозиционные и позиционные системы счисления.
Непозиционные системы счисления
Как только люди начали считать, у них появилась потребность в записи чисел. Находки археологов на стоянках первобытных людей свидетельствуют о том, что первоначально количество предметов отображали равным количеством каких-либо значков (бирок): зарубок, черточек, точек. Позже, для облегчения счета, эти значки стали группировать по три или по пять. Такая система записи чисел называется единичной (унарной) , так как любое число в ней образуется путём повторения одного знака, символизирующего единицу. Отголоски единичной системы счисления встречаются и сегодня. Так, чтобы узнать, на каком курсе учится курсант военного училища, нужно сосчитать, какое количество полосок нашито на его рукаве. Сами того не осознавая, единичной системой счисления пользуются малыши, показывая на пальцах свой возраст, а счетные палочки используется для обучения учеников 1–го класса счету. Рассмотрим различные системы счисления.
Единичная система – не самый удобный способ записи чисел. Записывать таким образом большие количества утомительно, да и сами записи при этом получаются очень длинными. С течением времени возникли иные, более удобные, системы счисления.
Древнеегипетская десятичная непозиционная система счисления . Примерно в третьем тысячелетии до нашей эры древние египтяне придумали свою числовую систему, в которой для обозначения ключевых чисел 1, 10, 100 и т.д. использовались специальные значки – иероглифы. Все остальные числа составлялись из этих ключевых при помощи операции сложения. Система счисления Древнего Египта является десятичной, но непозиционной. В непозиционных системах счисления количественный эквивалент каждой цифры не зависит от ее положения (места, позиции) в записи числа. Например, чтобы изобразить 3252 рисовали три цветка лотоса (три тысячи), два свернутых пальмовых листа (две сотни), пять дуг (пять десятков) и два шеста (две единицы). Величина числа не зависела от того, в каком порядке располагались составляющие его знаки: их можно было записывать сверху вниз, справа налево или вперемежку.
Римская система счисления . Примером непозиционной системы, которая сохранилась до наших дней, может служить система счисления, которая применялась более двух с половиной тысяч лет назад в Древнем Риме. В основе римской системы счисления лежали знаки I (один палец) для числа 1, V (раскрытая ладонь) для числа 5, X (две сложенные ладони) для 10, а для обозначения чисел 100, 500 и 1000 стали применять первые буквы соответствующих латинских слов (Сentum – сто, Demimille – половина тысячи, Мille – тысяча). Чтобы записать число, римляне разлагали его на сумму тысяч, полутысяч, сотен, полусотен, десятков, пятков, единиц. Например, десятичное число 28 представляется следующим образом:
XXVIII=10+10+5+1+1+1 (два десятка, пяток, три единицы).
Для записи промежуточных чисел римляне использовали не только сложение, но и вычитание. При этом применялось следующее правило: каждый меньший знак, поставленный справа от большего, прибавляется к его значению, а каждый меньший знак, поставленный слева от большего, вычитается из него. Например, IX – обозначает 9, XI – обозначает 11.
Десятичное число 99 имеет следующее представление:
XCIХ = –10+100–1+10.
Римскими цифрами пользовались очень долго. Еще 200 лет назад в деловых бумагах числа должны были обозначаться римскими цифрами (считалось, что обычные арабские цифры легко подделать). Римская система счисления сегодня используется, в основном, для наименования знаменательных дат, томов, разделов и глав в книгах.
Алфавитные системы счисления . Более совершенными непозиционными системами счисления были алфавитные системы. К числу таких систем счисления относились греческая, славянская, финикийская и другие. В них числа от 1 до 9, целые количества десятков (от 10 до 90) и целые количества сотен (от 100 до 900) обозначались буквами алфавита. В алфавитной системе счисления Древней Греции числа 1, 2, ..., 9 обозначались первыми девятью буквами греческого алфавита, и т.д. Для обозначения чисел 10, 20, ..., 90 применялись следующие 9 букв а для обозначения чисел 100, 200, ..., 900 – последние 9 букв.
У славянских народов числовые значения букв установились в порядке славянского алфавита, который использовал сначала глаголицу, а затем кириллицу.
В России славянская нумерация сохранилась до конца XVII века. При Петре I возобладала так называемая арабская нумерация, которой мы пользуемся и сейчас. Славянская нумерация сохранилась только в богослужебных книгах.
Непозиционные системы счисления имеют ряд существенных недостатков:
- Существует постоянная потребность введения новых знаков для записи больших чисел.
- Невозможно представлять дробные и отрицательные числа.
- Сложно выполнять арифметические операции, так как не существует алгоритмов их выполнения.
Позиционные системы счисления
В позиционных системах счисления – количественный эквивалент каждой цифры зависит от ее положения (позиции) в коде(записи) числа. Ныне мы привыкли пользоваться десятичной позиционной системой - числа записываются с помощью 10 цифр. Самая правая цифра обозначает единицы, левее - десятки, ещё левее - сотни и т.д.
Например: 1) шестидесятеричная (Древний Вавилон)– первая позиционная система счисления. До сих пор при измерении времени используется основание равное 60 (1мин = 60с, 1ч = 60мин); 2) двенадцатеричная система счисления (широкое распространение получила в XIX в. число 12 – “дюжина”: в сутках две дюжины часов). Счёт не по пальцам, а по суставам пальцев. На каждом пальце руки, кроме большого, по 3 сустава – всего 12; 3) в настоящее время наиболее распространёнными позиционными системами счисления являются десятичная, двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная (широко используется в низкоуровневом программировании и вообще в компьютерной документации, поскольку в современных компьютерах минимальной единицей памяти является 8-битный байт, значения которого удобно записывать двумя шестнадцатеричными цифрами).
В любой позиционной системе число может быть представлено в виде многочлена.
Покажем, как представляют в виде многочлена десятичное число:
Типы систем счисления
Самое главное, что нужно знать о системе счисления – её тип: аддитивная или мультипликативная . В первом типе каждая цифра имеет своё значение, и для прочтения числа нужно сложить все значения использованных цифр:
XXXV = 10+10+10+5 = 35; CCXIX = 100+100+10–1+10 = 219;
Во втором типе каждая цифра может иметь разные значения в зависимости от своего местоположения в числе:
(иероглифы по порядку: 2, 1000, 4, 100, 2, 10, 5)
Здесь дважды использован иероглиф “2”, и в каждом случае он принимал разные значения “2000” и “20”.
2´ 1000 + 4´ 100+2´ 10+5 = 2425
Для аддитивной (“добавительной”) системы нужно знать все цифры-символы с их значениями (их бывает до 4-5 десятков), и порядок записи. Например, в Латинской записи если меньшая цифра записана перед большей, то производится вычитание, а если после, то сложение (IV = (5–1) = 4; VI = (5+1) = 6).
Для мультипликативной системы нужно знать изображение цифр и их значение, а так же основание системы счисления. Определить основание очень легко, нужно только пересчитать количество значащих цифр в системе. Если проще, то это число, с которого начинается второй разряд у числа. Мы, например, используем цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Их ровно 10, поэтому основание нашей системы счисления тоже 10, и система счисления называется “десятичная”. В вышеприведенном примере используются цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 (вспомогательные 10, 100, 1000, 10000 и т. д. не в счет). Основных цифр здесь тоже 10, и система счисления – десятичная.
Как можно догадаться, сколько есть чисел, столько же может быть и оснований систем счисления. Но используются только самые удобные основания систем счисления. Как вы думаете, почему основание самой употребительной человеческой системы счисления 10? Да, именно потому, что на руках у нас 10 пальцев. “Но на одной то руке всего пять пальцев” – скажут некоторые и будут правы. История человечества знает примеры пятеричных систем счисления. “А с ногами – двадцать пальцев” – скажут другие, и будут тоже абсолютно правы. Именно так считали индейцы Майя. Это даже видно по их цифрам.
Очень интересно понятие “дюжина”. Всем известно, что это 12, но откуда появилось такое число – мало кто знает. Посмотрите на свои руки, вернее, на одну руку. Сколько фаланг на всех пальцах одной руки, не считая большого? Правильно, двенадцать. А большой палец предназначен отмечать отсчитанные фаланги.
А если на другой руке откладывать пальцами количество полных дюжин, то получим всем известную шестидесятеричную вавилонскую систему.
В разных цивилизациях считали по–разному, но и сейчас можно даже в языке, в названиях и изображениях цифр найти остатки совсем других систем счисления, когда–то использовавшихся этим народом.
Так у французов когда-то была двадцатеричная система счисления, поскольку 80 по-французски звучит как “четырежды двадцать”.
Римляне, или их предшественники использовали когда-то пятеричную систему, так как V ни что иное, как изображение ладони с отставленным большим пальцем, а X – это две таких же руки.
Т.В. Сарапулова, И.Е. Трофимов
НЕПОЗИЦИОННЫЕ И СМЕШАННЫЕ
СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ
направления 230700.62 «Прикладная информатика» в качестве методических указаний для самостоятельной работы
по дисциплине «Информационные системы и технологии»
Кемерово 2012
Рецензенты:
1. Прокопенко Евгения Викторовна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладных информационных технологий.
2. Соколов Игорь Александрович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой прикладных информационных технологий, председатель УМК направления 230700.62 «Прикладная информатика».
Сарапулова Татьяна Викторовна, Трофимов Иван Евгеньевич. Непозиционные и смешанные системы счисления: метод. указания для самостоятельной работы по дисциплине «Информационные системы и технологии» [электронный ресурс] : для студентов направления подготовки бакалавров 230700.62 «Прикладная информатика»/ Т. В. Сарапулова, И. Е. Трофимов. – Электрон. дан. – Кемерово: КузГТУ, 2012. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) ; зв. ; цв. ; 12 см. – Систем. требования: ОЗУ 64 Мб; Windows XP/Vista/7 ; (CD-ROM-дисковод). – Загл. с экрана.
Методические указания предназначены для самостоятельного изучения непозиционных и смешанных систем счисления. В состав указаний входят теоретическая база и контрольные вопросы.
Ó Сарапулова Т.В, Трофимов И.Е.
ВВЕДЕНИЕ.. 4
1. НЕПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ.. 5
1.1. Римская система счисления. 6
1.2. Система остаточных классов (СОК) 6
1.3. Система счисления Штерна-Броко. 8
2. СМЕШАННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ.. 9
2.1. Система счисления майя. 10
2.2. Факториальная система счисления. 10
2.3. Фибоначчиева система счисления. 11
Целью данной самостоятельной работы является изучение непозиционных и смешанных систем счисления.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из обязательных требований к специалисту в области информационных технологий является знание принципов работы с числами. На ранних ступенях развития общества люди почти не умели считать. Они различали совокупности двух и трех предметов; всякая совокупность, содержавшая большее число предметов, объединялась в понятие «много». Предметы при счете сопоставлялись обычно с пальцами рук и ног. По мере развития цивилизации потребность человека в счете стала необходимой. Первоначально натуральные числа изображались с помощью некоторого количества черточек или палочек, затем для их изображения стали использовать буквы или специальные знаки.
Проведём границу между числом и цифрой. Число – это некоторая абстрактная сущность для описания количества. Цифры – это знаки, используемые для записи чисел. Цифры бывают разные, самыми распространёнными являются арабские цифры, представляемые известными нам знаками от нуля (0) до девяти (9); менее распространены римские цифры, мы их можем иногда встретить на циферблате часов или в обозначении века (XIX век).
Итак, запомним: число – это некая абстрактная мера количества , цифра – это знак (рисунок) для записи числа .
Всё множество способов записи чисел с помощью цифр можно разделить на три части:
1. позиционные системы счисления;
2. смешанные системы счисления;
3. непозиционные системы счисления.
Денежные знаки – это яркий пример смешанной системы счисления. Сейчас в России используются монеты и купюры следующих номиналов: 1 коп., 5 коп., 10 коп., 50 коп., 1 руб., 2 руб., 5 руб., 10 руб., 50 руб., 100 руб., 500 руб., 1000 руб. и 5000 руб. Чтобы получить некоторую сумму в рублях, нам нужно использовать определенное количество денежных знаков различного достоинства. Предположим, что мы покупаем пылесос, который стоит 6379 руб. Чтобы расплатиться, нам потребуется шесть купюр по тысяче рублей, три купюры по сто рублей, одна пятидесятирублёвая купюра, две десятки, одна пятирублёвая монета и две монеты по два рубля. Если мы запишем количество купюр или монет начиная с 1000 руб. и заканчивая одной копейкой, заменяя нулями пропущенные номиналы, то мы получим число, представленное в смешанной системе счисления; в нашем случае – 603121200000.
В непозиционной же системе счисления величина числа не зависит от положения цифры в представлении числа. Ярким примером непозиционной системы счисления является римская система. Не смотря на свой почтенный возраст, данная система до сих пор используется, хотя и не является общеупотребимой.
НЕПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ
В непозиционных системах счисления величина, которую обозначает цифра, не зависит от положения в числе. При этом система может накладывать ограничения на положение цифр.
С глубокой древности люди повсеместно использовали непозиционные системы счисления. Для подсчета животных, населения, запасов использовались различные буквы, пиктограммы и прочие геометрические фигуры. Со временем непозиционные системы стали менее популярны и в современном мире мы встречаем типичного представителя непозиционных систем – римскую систему счисления, уже скорее как экзотическое письмо, нежели реально действующую систему. Причиной отказа от непозиционных систем счисления стало появление позиционных систем, давших возможность использовать значительно меньшие цифровые алфавиты для обозначения даже очень больших чисел и, что еще важнее, обеспечивающих простое выполнение арифметических операций над числами.
Римская система счисления
Каноническим примером фактически непозиционной системы счисления является римская система, в которой в качестве цифр используются латинские буквы:
I обозначает 1, V – 5, X – 10, L – 50, C – 100, D – 500, M – 1000.
Например, II = 1 + 1 = 2, здесь символ I обозначает 1 независимо от места в числе.
Заметьте, что символ нуля в данной системе счисления, как и в других непозиционных системах, отсутствует за ненадобностью.
О происхождении римских цифр достоверных сведений нет. Цифра V могла первоначально служить изображением кисти руки, а цифра Х могла составиться из двух пятерок. В римской нумерации явно прослеживаются следы пятеричной системы счисления.
На самом деле, римская система не является полностью непозиционной , так как меньшая цифра, идущая перед большей, вычитается из неё, например:
VI = 6, т.е. 5 + 1, в то время как IV = 4, т.е. 5 – 1;
XL = 40, т.е. 50 – 10, в то время как LX = 60, т.е. 50 + 10.
Подряд одна и та же цифра в римской системе ставится не более трех раз: LXX = 70; LXXX = 80; число 90 записывается ХС (а не LXXXX).
Первые 12 чисел записываются в римских цифрах так: I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX, X, XI, XII.
Другие же числа записываются, например, как: XXVIII = 28; XXXIX = 39; CCCXCVII = 397; MDCCCXVIII = 1818.
Задавшись вопросом о том, сколько же чисел можно записать в римской системе, мы быстро обнаружим, что их диапазон простирается от 1 (I) до 3999 (MMMCMXCIX). Столь узкий диапазон чисел серьезно ограничивает применение системы в современной жизни, где счет идет на миллионы.
Сейчас римской системой счисления пользуются для обозначения юбилейных дат, нумерации некоторых страниц книги (например, страниц предисловия), глав в книгах, строф в стихотворениях и т.д.
Похожая информация.
Системы счисления - это способы записи чисел в виде, удобном для прочтения и выполнения арифметических операций.
Уже в эпоху палеолита люди стремились группировать точки, полосы и насечки по 3,4,5, или 7. Такая группировка облегчала счет. В древности люди считали на пальцах, поэтому предметы стали группировать по 5 или 10. В дальнейшем десяток десятков получил особое название, десяток сотен - свое название. Для удобства записи числа стали обозначать особыми знаками. Поскольку в такой записи положение знака не играет роли, подобные системы счисления стали называть непозиционными. Непозиционные системы счисления использовали древние египтяне, греки и римляне. Непозиционные системы счисления были более или менее пригодны для выполнения операций сложения и вычитания, но совсем не удобны для умножения и деления.
Чтобы облегчить работу, использовали счетные доски – абаки.
Позиционные системы счисления. Десятичная система счисления
В позиционных системах счисления один и тот же числовой знак (цифра) в записи числа имеет различные значения в зависимости от того места (разряда), где он расположен.
К позиционной шестидесятеричной системе перешли вавилоняне. Долгое время в вавилонской системе счета не было нуля, т. е. знака для пропущенного разряда. Сначала это не создавало неудобств, но когда стали составлять обширные математические и астрономические таблицы, возникла необходимость в таком знаке. Следы вавилонской системы счисления сохранились до наших дней в порядке счета времени (1 ч=60 мин. , 1 мин. =60 сек.).
В V1 в. , точнее в 595г. индийцы создали способ записи, использующий лишь 9 цифр. Вместо нуля оставляли пустое место, а позднее ставили точку или маленький кружок. Особый знак для нуля появился в 1Х в. были выработаны правила выполнения арифметических операций над числами в десятичной системе счисления, не требовавшие использования абака, и этот способ записи распространился по всему миру. О десятичной системе счисления подробно рассказал среднеазиатский математик аль - Хорезми. Поскольку он написал свой труд на арабском языке, то системе в Европе дали неправильное название – «арабская».
Позиционные системы с произвольным основанием.
Мы привыкли к десятичной системе счисления. Компьютеру как нельзя лучше подходит двоичная система. Но иногда могут оказаться удобными системы с другими основаниями. Счёт на дюжины прекрасный тому пример. Здесь числовая база – степени числа 12.
В общем же случае представить произвольное число N в системе счисления с заданным основанием d означает записать его в виде где d – любое целое число, большее единицы. Коэффициенты a0, а1,аn называются цифрами в d – ичной записи N. Они могут принимать лишь d значений: 0,или 1, или 2, или d-1. Заметим, что в случае d > 10 придётся придумывать новые символы для цифр.
Для нахождения цифр числа по заданному числу N и основанию d можно воспользоваться следующим способом: сначала находят самое большое базовое число, не превосходящее N. Затем число N делят на d, в результате чего получают неполное частное an и остаток r n-1, т. е.
Остаток r n-1 уже меньше базового числа, поэтому делим r n-1 на d! И получаем неполное частное an-1 и остаток r n-2:
На практике определять d-ичные цифры числа N, начиная со старшего разряда, не очень удобно. Для этой цели обычно применяют другой способ. Представим число N в виде выражения не содержащего степеней:
Отсюда видно, что цифры an an-1, a1 a0 могут быть найдены последовательно, начиная с младшего разряда, в результате следушего многошагового процесса: a0 равно остатку то деления N на d; a1 равно остатку от деления на d неполного частного, полученного на предыдущем шаге; an равно остатку от деления на d неполного частного, полученного на предыдущем шаге.
То. Что число N в d-ичной системе счисления выражается цифрами an an-1, a1 a0, записывается так:
Например: 26700 = (110100001001100)2 = (1323300)5.
Положительным рациональным числом (обыкновенной положительной дробью) называется число, которое может быть записано в виде
Где p, q-натуральные числа. Число p называется числителем дроби, а число q-ее знаменателем.
Мы знаем, что дробь не изменится, если ее числитель и знаменатель умножить на одно и то же натуральное число n; другими словами, для любого натурального числа n справедливо равенство
Если числа p и q не имеют общих простых делителей, то дробь называется несократимой или правильной.
Если знаменатель q дроби равен 10 или 100, или 1000 и т. д. , то обыкновенную дробь можно записать в виде конечной десятичной дроби, каждая из которых называется десятичным разложением соответствующей обыкновенной дроби.
Очевидно также, что всякая конечная десятичная дробь может быть записана в виде обыкновенной дроби, где p-натуральное число, а q-некоторая степень числа 10.
Если знаменатель q обыкновенной дроби есть некоторая степень числа 10, то эта дробь может быть разложена в конечную десятичную дробь. Верно и обратное утверждение: конечная десятичная дробь представляет собой десятичное разложение обыкновенной дроби, знаменатель которой есть некоторая степень числа 10.
Восьмеричная система счисления
Восьмери́чная систе́ма счисле́ния - позиционная целочисленная система счисления с основанием 8. Для представления чисел в ней используются цифры 0 до 7.
Восьмеричная система часто используется в областях, связанных с цифровыми устройствами. Характеризуется лёгким переводом восьмеричных чисел в двоичные и обратно, путём замены восьмеричных чисел на триады двоичных. Ранее широко использовалась в программировании и вообще компьютерной документации, однако в настоящее время почти полностью вытеснена шестнадцатеричной.
Если мы обращаемся к восьмеричной системе счисления, то это означает, что можно использовать гораздо больше цифр, чем это принято в двоичной, но меньше, чем в десятичной, а именно можно оперировать восемью цифрами: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - и не более.
Логика конвертирования десятичных чисел в восьмеричные (кодирование в восьмеричную систему счисления) совершенно идентична приведенной выше.
Более подробная информация - в разд. "Запись целых чисел в двоичной системе счисления" данной главы.
Действительно, в определенный момент цифры заканчиваются (наступает "кризис переходного периода").
Десятичное число "8" становится восьмеричным числом "10" ("восьмеричной десяткой"). Число "9" будет восьмеричным числом "11", число "10" - восьмеричным числом "12". И так далее до десятичного числа "15", которое в восьмеричном виде равно числу "17". А дальше?
Цифры снова кончились. Как будет представлено десятичное число "16" в восьмеричной системе счисления?
178 + 1 =. , но сумма "78 + 1" равняется "10" в восьмеричной системе счисления, а, следовательно, восьмеричный "десяток" необходимо складывать с "десятком", уже имеющимся, т. е. получается сумма, присутствующая в восьмеричной системе: "1 + 1 = 2". В результате получается, что
Представим эту информацию в виде таблицы (табл. 4. 4).
Таблица 4. 4. Соответствие десятичных и восьмеричных чисел
Десятичные числа Восьмеричные числа Десятичные числа Восьмеричные числа
0-7 0-7 25-63 31-77
9-15 11-17 128 200
17-23 21-27 512 1000
Но даже такие числа все-таки мало экономны, по крайней мере, их разрядность не уступает десятичной системе, поэтому в компьютерных технологиях применяется еще одна система счисления, которая называется шестна-дцатеричной.
Система счисления - это определенный способ записи чисел и соответствующие ему правила действия над числами.
Системы счисления бывают позиционными и непозиционными.
В позиционной системе счисления величина, которую обозначает цифра в записи числа, зависит от позиции цифры в этом числе. Совокупность различных цифр, используемых в позиционной системе счисления для записи чисел, называется алфавитом системы счисления. Для представления цифр больше 10 используют латинские буквы (А=10, В=11). Основание системы счисления - это размер алфавита. Число в позиционной системе можно представить в виде суммы произведений составляющих его цифр на соответствующие степени основания системы.
Любая позиционная система вводится следующим образом. Выбирается основание р - целое число и алфавит из р цифр: О, 1, 2,. , р-1. Тогда любое число Х в этой системе представляется в виде суммы произведений:
Х = аn*рn + an-1*pn-1 + + a0*p0
Здесь Х - это число в системе с основанием p, имеющее n+1 цифру в целой части - это цифры из алфавита системы.
Перевод чисел из одной позиционной системы в другую
При переводе чисел из десятичной системы в р-ичную надо разложить десятичное число на слагаемые, содержащие степени числа р. Перевод целого десятичного числа производится путем последовательного деления числа на основание р с выделением остатков от деления до тех пор, пока частное не станет меньше делителя. Выписывая остатки от деления справа налево, получаем р-ричную запись десятичного числа.
В позиционных системах значение записи целого числа определяется по следующему правилу: пусть a na n-1a n-2a 1a 0 - запись числа A, а i – цифры, тогда
A = a n·pn+a n-1·pn-1 +a n-2·pn-2+. +a 1·p1+ a0·p0 (1), где p - целое число большее 1, которое называется основанием системы счисления
Для того, чтобы при заданном p любое неотрицательное целое число можно было бы записать по формуле (1) и притом единственным образом, числовые значения различных цифр должны быть различными целыми числами, принадлежащими отрезку от 0 до p-1.
1) Десятичная система p = 10 цифры: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 число 5735 = 5·103+7·102+3·101+8·100
2) Троичная система p = 3 цифры: 0,1,2 число 2013 = 2·32+0·31+1·30
Замечание: нижним индексом в записи числа обозначается основание системы счисления, в которой записано число. Для десятичной системы счисления индекс можно не писать.
Представление отрицательных и дробных чисел:
Во всех позиционных системах для записи отрицательных чисел так же как и в десятичной системе используется знак ‘–‘. Для отделения целой части числа от дробной используется запятая. Значение записи a na n-1a n-2a 1a 0, a -1 a -2a m-2 a m-1a m числа A определяется по формуле, являющейся обобщением формулы (1):
A = an·pn+a n-1·p n-1+a n-2·p n-2++a1·p1+a0·p0+a-1·p-1+a -2·p-2++am-2·p–(m–2)+am–1·p–(m–1)+amp–m (2),
75,6 = 7·101+5·100+6·10–1
–2,3145 = –(2·50+3·5–1+1·5–2+4·5–3)
Перевод чисел из произвольной системы счисления в десятичную:
Следует понимать, что при переводе числа из одной системы счисления в другую количественное значение числа не изменяется, а меняется только форма записи числа, так же как при переводе названия числа, например, с русского языка на английский.
Перевод чисел из произвольной системы счисления в десятичную выполняется непосредственным вычислением по формуле (1) для целых и формуле (2) для дробных чисел.
Перевод чисел из десятичной системы счисления в произвольную.
Перевести число из десятичной системы в систему с основанием p – значит найти коэффициенты в формуле (2). Иногда это легко сделать простым подбором. Например, пусть нужно перевести число 23,5 в восьмеричную систему. Нетрудно заметить, что 23,5 = 16+7+0,5 = 2·8+7+4/8 = 2·81+7·80+4·8–1 =27,48. Понятно, что не всегда ответ столь очевиден. В общем случае применяется способ перевода отдельно целой и дробной частей числа.
Для перевода целых чисел применяется следующий алгоритм (полученный на основании формулы (1)):
1. Найдем частное и остаток от деления числа на p. Остаток будет очередной цифрой ai (j=0,1,2) записи числа в новой системе счисления.
2. Если частное равно нулю, то перевод числа закончен, иначе применяем к частному пункт 1.
Замечание 1. Цифры ai в записи числа нумеруются справа налево.
Замечание 2. Если p>10, то необходимо ввести обозначения для цифр с числовыми значениями, большими или равными 10.
Перевести число 165 в семеричную систему счисления.
165:7 = 23 (остаток 4) => a0 = 4
23:7 = 3 (остаток 2) => a1 = 2
3:7 = 0 (остаток 3) => a2 = 3
Выпишем результат: a2a1a0, т. е. 3247.
Выполнив проверку по формуле (1), убедимся в правильности перевода:
3247=3·72+2·71+4·70=3·49+2·7+4 = 147+14+4 = 165.
Для перевода дробных частей чисел применяется алгоритм, полученный на основании формулы (2):
1. Умножим дробную часть числа на p.
2. Целая часть результата будет очередной цифрой am (m = –1,–2, –3) записи числа в новой системе счисления. Если дробная часть результата равна нулю, то перевод числа закончен, иначе применяем к ней пункт 1.
Замечание 1. Цифры am в записи числа располагаются слева направо в порядке возрастания абсолютного значения m.
Замечание 2. Обычно количество дробных разрядов в новой записи числа ограничивается заранее. Это позволяет выполнить приближенный перевод с заданной точностью. В случае бесконечных дробей такое ограничение обеспечивает конечность алгоритма.
Перевести число 0,625 в двоичную систему счисления.
0,625·2 = 1,25 (целая часть 1) => a-1 =1
0,25·2 = 0,5 (целая часть 0) => a-2 = 0
0,5·2 = 1,00 (целая часть 1) => a-3 = 1
Итак, 0,62510 = 0,1012
Выполнив проверку по формуле (2), убедимся в правильности перевода:
0,1012=1·2-1+0·2-2+1·2-3=1/2+1/8 = 0,5+0,125 = 0,625.
Перевести число 0,165 в четверичную систему счисления, ограничившись четырьмя четверичными разрядами.
0,165·4 = 0,66 (целая часть 0) => a-1=0
0,66·4 = 2,64 (целая часть 2) => a-2= 2
0,64·4 = 2,56 (целая часть 2) => a-3= 2
0,56·4 = 2,24 (целая часть 2) => a-4= 2
Итак, 0,16510 ” 0,02224
Выполним обратный перевод, чтобы убедиться, что абсолютная погрешность не превышает 4–4:
0,02224 = 0·4-1+2·4-2+2·4-3+2·4-4= 2/16+2/64+2/256 = 1/8+1/32+1/128 = 21/128 = 0,1640625
0,1640625–0,165 = 0,00094
Перевод чисел из одной произвольной системы в другую
В этом случае сначала следует выполнить перевод числа в десятичную систему, а затем из десятичной в требуемую.
Особым способом выполняется перевод чисел для систем с кратными основаниями.
Пусть p и q – основания двух систем счисления. Будем называть эти системы системами счисления с кратными основаниями, если p = qn или q = pn, где n – натуральное число. Так, например, системы счисления с основаниями 2 и 8 являются системами счисления с кратными основаниями.
Пусть p = qn и требуется перевести число из системы счисления с основанием q в систему счисления с основанием p. Разобьем целую и дробную части записи числа на группы по n последовательно записанных цифр влево и вправо от запятой. Если количество цифр в записи целой части числа не кратно n, то надо дописать слева соответствующее количество нулей. Если количество цифр в записи дробной части числа не кратно n, то нули дописываются справа. Каждая такая группа цифр числа в старой системе счисления будет соответствовать одной цифре числа в новой системе счисления.
Переведем 1100001,1112 в четверичную систему счисления.
Дописав нули и выделив пары цифр, получим 01100001,11102.
Теперь выполним перевод отдельно каждой пары цифр, пользуясь пунктом Перевод чисел из одной произвольной системы в другую.
Итак, 1100001,1112 = 01100001,11102 = 1201,324.
Пусть теперь требуется выполнить перевод из системы с большим основанием q, в систему с меньшим основанием p, т. е. q = pn. В этом случае одной цифре числа в старой системе счисления соответствует n цифр числа в новой системе счисления.
Пример: Выполним проверку предыдущего перевода числа.
1201,324 = 1100001,11102=1100001,1112
В шестнадцатеричной системе есть цифры с числовыми значениями 10,11,12, 13,14,15. Для их обозначения используют первые шесть букв латинского алфавита A, B, C, D, E, F.
Приведем таблицу чисел от 0 до 16, записанных в системах счисления с основаниями 10, 2, 8 и 16.
Число в десятичной системе счисления 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 В восьмеричной 0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 20 В двоичной 0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 10000 В шестнадцатеричной 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 10 Для записи шестнадцатеричных цифр можно использовать также строчные латинские буквы a-f.
Пример: Переведем число 110101001010101010100,112 в шестнадцатеричную систему счисления.
Воспользуемся кратностью оснований систем счисления (16=24). Сгруппируем цифры по четыре, дописав, слева и справа нужное количество нулей
000110101001010101010100,11002 и, сверяясь с таблицей, получим: 1A9554,C16
В какой системе счисления лучше записывать числа – это вопрос удобства и традиций. С технической точки зрения, в ЭВМ удобно использовать двоичную систему, так как в ней для записи числа используются только две цифры 0 и 1, которые можно представить двумя легко различимыми состояниями “нет сигнала ” и “есть сигнал”.
А человеку, напротив, неудобно иметь дело с двоичными записями чисел из-за того, что они более длинные, чем десятичные и в них много повторяющихся цифр. Поэтому, при необходимости работать с машинными представлениями чисел используют восьмеричную или шестнадцатеричную системы счисления. Основания этих систем – целые степени двойки, и поэтому числа легко переводятся из этих систем в двоичную и обратно.
Двоичная система счисления. Бит и байт. Сегментация памяти.
Рассмотрим, как в памяти компьютера хранятся данные.
Вообще, как компьютер может хранить, например, слово "диск"? Главный принцип - намагничивание и размагничивание одной дорожки (назовем ее так). Одна микросхема памяти - это, грубо говоря, огромное количество дорожек. Сейчас попробуем разобраться. Например: нуль будет обозначаться как 0000 (четыре нуля), один 0001, два 0010,
(т. е. правую единицу заменяем на 0 и вторую устанавливаем в 1).
Уловили принцип? "0" и "1" - это т. н. биты. Один бит, как вы уже заметили, может быть нулем или единицей, т. е. размагничена или намагничена та или иная дорожка ("0" и "1" это условное обозначение). Если еще присмотреться, то можно заметить, что каждый следующий установленный бит (начиная справа) увеличивает число в два раза: 0001 в нашем примере = 1; 0010 два; 0100 четыре; 1000 восемь и т. д. Это и есть т. н. двоичная форма представления данных.
Т. о. чтобы обозначить числа от 0 до 9 нам нужно четыре бита (хоть они и не до конца использованы. Можно было бы продолжить: десять 1010, одиннадцать 1011 , пятнадцать 1111).
Компьютер хранит данные в памяти именно так. Для обозначения какого-нибудь символа (цифры, буквы, запятой, точки.) в компьютере используется определенное количество бит. Компьютер "распознает" 256 (от 0 до 255) различных символов по их коду. Этого достаточно, чтобы вместить все цифры (0 - 9), буквы латинского алфавита (a - z, A - Z), русского (а - я, А - Я), а также другие символы. Для представления символа с максимально возможным кодом (255) нужно 8 бит. Эти 8 бит называются байтом. Т. о. один любой символ - это всегда 1 байт.
Т. о. слово "диск" будет занимать 4 байта или 4*8 = 32 бита. Как вы уже поняли, компьютер хранит в памяти не сами буквы этого слова, а последовательность "единичек" и "ноликов". "Почему же тогда на экране мы видим текст, а не "единички-нолики"? - спросите вы. Чтобы удовлетворить ваше любопытство, я забегу немного вперед и скажу, что всю работу по выводу самого символа на экран (а не битов) выполняет видеокарта (видеоадаптер), которая находится в вашем компьютере. И если бы ее не было, то мы, естественно, ничего бы не видели, что у нас творится на экране.
В Ассемблере после двоичного числа всегда должна стоять буква "b". Это нужно для того, чтобы при ассемблировании нашей программы Ассемблер смог отличать десятичные, шестнадцатеричные и двоичные числа. Например: 10 - это "десять", 10h - это "шестнадцать" а 10b - это "два" в десятичной системе.
Т. о. в регистры можно загружать двоичные, десятичные и шестнадцатеричные числа.
Например: mov ax,20 mov bh,10100b mov cl,14h
В результате в регистрах AX, BH и CL будет находится одно и тоже число, только загружаем мы его в разных системах. Компьютер же будет хранить его в двоичном формате (как в регистре BH).
Итак, подведем итог. В компьютере вся информация хранится в двоичном формате (двоичной системе) примерно в таком виде: 10101110 10010010 01111010 11100101 (естественно, без пробелов. Для удобства я разделили биты по группам). Восемь бит - это один байт. Один символ занимает один байт, т. е. восемь бит. По-моему, ничего сложного. Очень важно уяснить данную тему, так как мы будем постоянно пользоваться двоичной системой, и вам необходимо знать ее на "отлично".
Зачем нужны различные позиционные системы?
Позиционные системы с различными основаниями используются для изучения свойств чисел уже не одну сотню лет. Например, с помощью записи целых чисел в различных системах можно получить признаки делимости. Рассмотрение некоторых других вопросов теории делимости также облегчается использованием недесятичных позиционных систем.
Однако этот вопрос занимал лишь сравнительно небольшой круг людей, главным образом специалистов в области так называемой высшей арифметики – теории чисел. Но положение изменилось с момента возникновения и широкого распространения вычислительных машин.
Конструкция цифровых вычислительных машин тесно связана с принятой системой счисления.
Вычислительные устройства.
Простейшим цифровым вычислительным устройством являются хорошо известные русские счёты. В них для изображения числа используются спицы с надетыми на них косточками. Количество спиц соответствует количеству разрядов, отведённых для изображения числа. Каждая спица может находиться в различных состояниях, определяемых количеством опущенных косточек. Так как в десятичной системе имеется десять различных цифр, то для их изображения нужно иметь десять различных состояний. Для этого на каждую спицу надевают десять косточек.
Русские счёты
Другим примером цифровой вычислительной машины является арифмометр. Здесь для изображения различных цифр в каждом разряде используется зубчатая шестерёнка. Окружность колёсика, из которого эта шестерёнка сделана, разбивается на 10 частей. На каждой такой части имеется зубец шестерёнки. Поворачиваясь вокруг своей оси, шестерёнка может останавливаться только в таких положениях, когда какой-либо её зубец устанавливается против окошка в корпусе арифмометра. На каждом зубце шестерёнки написана соответствующая цифра.
Рассмотренные примеры показывают, что применяемая для записи чисел позиционная система счисления предъявляет свои требования к конструкции вычислительных машин: десять косточек на спице, десять зубцов шестерёнке и десять ступенек на валике объясняются тем, что число изображается в десятичной системе счисления.
Система счисления (Нумерация) - это способ представления числа символами некоторого алфавита, которые называются цифрами.
Путем длительного развития человечество пришло к двум видам систем счисления: позиционной и не позиционной.
Непозиционная система счисления
В самой древней нумерации употреблялся лишь знак "|" для единицы, и каждое натуральное число записывалось повторением символа единицы столько раз, сколько единиц содержится в этом числе. Сложение в такой нумерации сводилось к приписыванию единиц, а вычитание - к их вычеркиванию. Для изображения сколько-нибудь больших чисел этот способ нумерации непригоден из-за своей громоздкости.
При начальном обучении в школе, когда счет ведется в пределах одного - двух десятков, этот способ нумерации успешно применяется (счет на палочках).
В непозиционных системах счисления смысл каждого знака сохраняется и не зависит от его места в записи числа.
К более современным непозиционным системам относят египетскую иероглифическую систему нумерации, в которой имелись определенные знаки для чисел: единица - I, десять - n, сто - с и так далее; эти числа называются узловыми. Все остальные натуральные числа, называемые алгоритмическими числами, записываются единообразно при помощи единственной арифметической операции - сложения. Например, число 243 запишется в виде сс nnnn III, 301 - в виде ссс I.
К непозиционным системам относят римскую нумерацию. За узловые числа в этой системе принимают числа: единица - I, пять - V, десять - X, пятьдесят - L, сто - С, пятьсот - D, тысяча - М. Все алгоритмические числа получаются при помощи двух арифметических операций: сложения и вычитания. Вычитание производится тогда, когда знак, соответствующий меньшему узловому числу, стоит перед знаком большего узлового числа, например, VI - шесть (5+1= 6), ХС - девяносто(100-10=90), 1704 - МОССIV, 193 -СХСШ, 687 - DCLXXXII.
В римской нумерации заметны следы пятеричной системы счисления, так как в ней имеются специальные знаки для чисел 5, 50 и 500.
При записи чисел использовался не только принцип сложения, но и принцип умножения.
Например, в старо - китайской системе счисления числа 20 и 30 изображались схематически, как 2,10 и 3,10. числа 10, 100, 1000 имели определенные специальные обозначения. Число 528 записывалось так: 5,100,2,10,8. Наиболее удобными среди непозиционных систем счисления являются алфавитные системы нумерации. Примерами таких систем могут служить ионийская система (Древняя Греция), славянская, еврейская, грузинская и армянская.
Во всех алфавитных системах существенным является обозначение специальными символами - буквами в алфавитном порядке всех чисел от 1 до 9, всех десятков от 10 до 90 и всех сотен от 100 до 900. Чтобы отличать запись чисел от слов над буквами, обозначающими цифры, в греческой и славянской нумерации ставилась черта.
В греческой системе счисления число 543 записывалось: цмг (ц - 500, м- 40, г- 3). В римской системе счисления это число записывается в виде DXLIII, в египетской иероглифической - в виде ссссс nnn III.
Из этого примера видно преимущество алфавитной нумерации, в которой используется цифровой принцип обозначения единиц, десятков, сотен. В записи больших чисел в алфавитной системе уже виден переход к позиционной системе записи. Например, 32543 записывалось так:
Рис. 4
Наиболее удобными системами счисления оказались позиционные или поместные системы.
Позиционные системы счисления
Позиционная система счисления - это совокупность определений и правил, позволяющих записывать любое натуральное число с помощью некоторых значков или символов, каждый из которых имеет определенный смысл в зависимости от его места в записи числа (от его позиции). Чаще всего применяют позиционную систему счисления с фиксированным основанием. Основанием системы может быть любое натуральное число с, с>1.
Систематической записью натурального числа N по основанию с называют представление этого числа в виде суммы: N = аnсn+...+а1с, + а0, где аn, ..., а1, а0 - числа принимающие значения 0, 1, ..., с - 1, причем, аn?0.
Позиционная система счисления с основанием с называется с - ичной (двоичной, троичной и так далее). На практике чаще всего применяется десятичная с= 10).
Для обозначения чисел 0, 1, ..., с - 1 в с - ичной системе счисления используют особые знаки, называемые цифрами. Древнеиндийские математики открыли нуль - особый знак, который должен был показать отсутствие единиц определенного разряда.
Для с - ичной системы счисления нужно с цифр. Если с < 10, то применяются те же обозначения цифр, что и в десятичной системе счисления (только берутся цифры, меньше основания системы).
В системах с основанием с > 10 для чисел, больших или равных 10, не вводят специальных символов, а используют десятичную запись этих чисел, заключая эту запись в скобки. Например, в четырнадцатеричной системе имеется четырнадцать цифр: 0, 1, 2, 3 ... 9, (10), (11), (12), (13).
В системе счисления с основанием с, так же как и в десятичной системе счисления, место, занимаемое цифрой, считая, справа налево, называется разрядом.
Число N= аnс n + . . . +a1с +а0 содержит а0 единиц первого разряда, а1 единиц второго разряда, а2 единиц третьего разряда и так далее. Единица следующего разряда в с раз больше единицы предыдущего разряда.
Позиционные системы счисления удовлетворяют требованию возможности и однозначности записи любого натурального числа.
Теорема. Любое натуральное число N может быть записано в системе с основание с и притом единственным образом.
Доказательство:
1. Докажем существование представления любого натурального числа в виде:
N=anсn +a n-1 сn-1 + ... +ас+а0. (1)
Доказательство проведем методом полной математической индукции.
Представление числа N в виде (1) возможно для первых р-1 натуральных чисел 1, 2,..., с-1, так как n=1 и число совпадает с данным числом. Представление числа в виде (1) для чисел 1, 2, . . . ,с-1, очевидно, возможны только единственным способом: 1=1, 2=2,. . . ,с-1=с-1.
Предположим, что все натуральные числа N?k (к?1) представимы в виде (1). Докажем что число к+1 так же представимо в виде (1). Для этого разделим с остатком число к+1 на с:
K+l=sс+r, 0<г<с-1, (2)
где s - неполное частное и г - остаток.
Так как число s?k, то оно по предположению индукции представимо в виде (1):
s = аnсn+ . . . +a1с +а0, (3)
где 1?аn?с -1, 0? ai ?с -l, (i=0,1,..,n-1)
Подставим выражения (2) и (3), получим:
k+l= (anс+ ... +аiс +а0) с + г = аnс +... + aiс +a0с +г (4)
где 1 ? an ?с -1, 0? aj ? с -1, 0 ? г? с -1 0=0,1,. . ,n-1)
Это выражение (4) дает представление числа к+1 в виде (1):
К+1=b n+1с n+1 + bn с n + ... + b1с +b0,
где b0 =r, bi+1- ai (i=0,l,.. ,n-l)
2. Докажем единственность представления любого натурального числа в виде (1).
Доказательство проведем методом математической индукции.
Для чисел 1, 2,... , с -1 представление в виде (1) единственно.
Предположим что для всех натуральных N?k (к?1) представление в виде (1) единственно. Докажем, что число к+1 может быть представлено в виде (1) только одним способом. Для этого разделим с остатком число к+1 на с:
K+l=sс+r, 0<г< с -1 (5)
Предположим, что к+1 имеет два различных способа представления:
к+1=а nс n + аn-1 с n-1 + ....+ а1с +а() (6)
к+1 =b mс m + bm-1 с m-1 + ... + b1с +b0 (7)
Представим: равенства (6) и (7) в виде:
k+1= (а nс n-1 + an-1 с n-2+ ... + а1)с+а0 (6*)
k+1 = (b mс m-1 + bm-1 с m-2+ ... + b)с+b0 (7*)
Так как 0 ? а0 ?с -1 и 0 ? b0 ?с -1, то из (6*) и (7*) следует, что неполное частное s и остаток г в формуле (5) будут:
S= аnс n-1 + аn-1 с n-2 + ... + a1=bmс m-1 + bm-1 с m-2+ ... + b1. r = a0 = b0.
Так как s ? k, из индуктивного предположения следует, что число s имеет единственно представление в виде (1), то есть:
n-l = m-l, ai =bi , (i=0,1, . . ,n-1).
Из последнего равенства имеем а0=bо. Таким образом, n=m, ai=bi (i=0,l, . . ,n-l), но это противоречит допущению, что число k+1. имеет два различных представления (6) и (7). Следовательно, число к+1 представляется в виде (1) единственным образом. На основании принципа математической индукции утверждение справедливо для любого N . Теорема доказана.
