Top.Mail.Ru
Персональный сайт учителя информатики Звездиной Веры Алексеевны
Смотреть презентацию
Читать
Читать
gallery/25 в двоичную - рис.1
gallery/таблица дружбы - рис.2
gallery/152 в разные -1 и 2 - рис.3
gallery/152 в разные - рис.4

Понятная информатика,

или Давайте учиться дружно!

Системы счисления

(теория к урокам и ЕГЭ, дополнительно  - презентация и таблица степеней двойки).

Система счисления  или нумерация – это способ и правила записи (обозначения) чисел.

 

Возьмем это за основу работы с разными системами счисления, поскольку только способ записи у них будет разный, а все закономерности одинаковые. Поэтому в случае возникновения трудностей в понимании темы обращаемся к десятичной системе счисления и переносим аналог на остальные.

 

Символы, при помощи которых записываются числа, называются цифрами, а их совокупность – алфавитом системы счисления.  Количество цифр, составляющих алфавит, называется основанием (размерностью) системы счисления.  

 

Число в любой системе счисления состоит из цифр, входящих в алфавит этой системы.

Основание алфавита указывается в виде индекса числа, записанного в десятичной системе счисления, например:   10112,  1528,  1А716.

 

Индекс десятичной системы счисления обычно не указывается, так как она принята всеми к использованию  по умолчанию.

 

Обратим внимание, что

  • наименьшей цифрой в любой системе счисления является ноль, а наибольшая цифра всегда на единицу меньше основания.

В системе счисления, которой мы пользуемся в повседневной  жизни – 10 цифр (от 0 до 9), и поэтому такая система счисления называется десятичной.

Аналогично, если в системе счисления будет две цифры (0 и 1), то она называется двоичной, восемь цифр (от 0 до 7) – восьмеричной и т.д.

Основание системы счисления обозначается индексом рядом с числом, например: 1028, 1012 и т.д. При этом основание десятичной системы счисления можно не указывать (будем использовать то, что всем нам привычно - "по умолчанию").

 

Системы счисления бывают двух видов - позиционные и непозиционные.

 

Система счисления называется позиционной, если количественный эквивалент цифры зависит от ее разряда – позиции в записи числа.

Например, запишем одинаковыми цифрами несколько разных чисел:

                            1234 = 1 тысяча + 2 сотни + 3 десятка + 1 единица

                            3124 = 3 тысячи + 1 сотня + 2 десятка + 4 единицы

                            4321 = 4 тысячи + 3 сотни + 2 десятка +1 единица.

 

Как  и в привычной  нам десятичной, так и в любой другой позиционной системе счисления значение числа образуется суммой результатов умножения цифр на «веса»  (степени основания) соответствующих разрядов.

Например,  

                            3948 = 3*1000+9*100+4*10+8*1 = 3*103+9*102+4*101+8*100

                            10112 = 1*23+0*22+1*21+1*20    или  10112 = 1*20+1*21+0*22+1*23   

(далее я буду пользоваться последней приведенной в примере формой записи, чтобы не делать лишних действий и не нумеровать степени двойки слева направо для их правильного использования).

При этом форма записи числа в виде 3948 называется свернутой, а в виде 3*103+9*102+4*101+8*100   -  развернутой формой записи числа.

 

Примером непозиционных систем могут служить древнеегипетская, древнеславянская или римская система счисления. 

Так в римской системе счисления из двух цифр X - десять  и I - один можно составить числа: XI (одиннадцать),  IX (девять),  XIX (девятнадцать) или другие, но во всех них значения цифр в зависимости от занимаемых позиций не меняются, а значение числа получается разным при смене порядка следования цифр друг за другом.

 

Будем называть позиционные системы счисления дружественными (родственными), если в основании у них лежит одно и то же число, но в разных степенях. При этом «дружат» они через систему счисления с основанием в первой степени.

 

Например, двоичная, четверичная, восьмеричная и шестнадцатеричная  системы счисления «дружат» через двоичную, т.к.  в основании у них лежит число  2,  но в разных степенях:   

                            2=21,     4=22,    8=23,    16=24  

 

Будем считать, что десятичная  система счисления не дружит ни с какой другой,  так как ближайшая к ней система счисления с основанием 102=100  в практических вычислениях  нам не встречается.

 

Правила перевода между различными системами счисления делятся на две группы – между дружественными системами и недружественными.

 

Перевод между недружественными системами счисления всегда выполняется через десятичную систему следующим образом:

  • из десятичной системы счисления в любую – делением исходного числа на основание системы счисления, в которую переводим; при этом остатки от деления и последнее частное должны быть меньше этого основания. Частное и остатки от деления собираются справа налево;
  • из любой системы счисления в десятичную - умножением  цифр на «веса»  (степени основания) соответствующих разрядов и все полученные значения складываются.

Пример перевода десятичного числа  25 в двоичную систему счисления показан на рис.1.  

Собрав частное с остатками справа налево, получаем:

                   2510 = 110012    и обратно  110012 = 1*20+0*21+0*22+1*23+1*2= 25                      

 

Для быстрого и  точного перевода между дружественными  (и только между ними!) двоичной, восьмеричной  и шестнадцатеричной системами счисления построим таблицу соответствия десятичных, восьмеричных и шестнадцатеричных чисел двоичным, которую мои ученики называют  таблицей «дружбы» (рис.2). Левая часть этой таблицы включает цифры восьмеричной системы счисления, а правая дополняет ее для всех цифр шестнадцатеричной системы счисления.  Заметим, что так как каждая цифра в любой системе счисления занимает только одну позицию (один разряд числа), то в шестнадцатеричной системе счисления для записи цифр со значением больше 9 (здесь11, 12, …, 15 – это цифры, занимающие при записи в числе две позиции вместо одной!) используют латинские заглавные буквы от A до F.

        

Данная таблица разделена двойными линиями в местах условного ее деления на дружественные системы счисления (двоичную, четверичную, восьмеричную и шестнадцатеричную).

При этом длина чисел в двоичной системе счисления зависит от степени двойки в основании дружественной системы счисления, т.е. для записи цифр двоичной системы счисления достаточно одного разряда (т.к. 2 = 21), четверичной - два (4 = 22), восьмеричной (8 = 23), а шестнадцатеричной – четыре (16=24). 

 

Именно это позволяет легко осуществлять перевод между дружественными системами счисления, записывая каждую цифру восьмеричного числа соответствующей ему в таблице двоичной цифрой с учетом того, что длина двоичной цифры при этом строго соответствует степени двойки основания исходной системы счисления:

  • 8=23, то меняем одну восьмеричную цифру на три двоичные - триады,

  • 16 = 24, тогда меняем каждую шестнадцатеричную цифру на четыре двоичные  - тетрады,

дополняя их при необходимости до нужной длины незначащими нулями слева (добавление нулей справа от исходного числа является результатом умножения числа на 10, 100 и т.д., т.е. изменяет исходное число).

Например, на рис.3 показан перевод чисел 1528  и 15216 в  двоичную систему счисления с учетом этого правила. 

При этом показано, что первые нули можно не  указывать, т.к. они незначащие.

 

На рис.4  выполнен перевод из восьмеричной системы счисления в  шестнадцатеричную и обратно через двоичную систему счисления.

Перегруппировка двоичных разрядов по четыре и по три во второй части выражений выполняется  справа налево по количеству разрядов в степени результирующей системы счисления, а дальнейшая запись числа – как обычно, слева направо.

 

Теперь обратим внимание на несколько закономерностей, которые можно заметить в вышеприведенной таблице «дружбы»  и аналогичных ей таблицах других систем счисления, в том числе и десятичной.

 

Закономерность 1.

  • Любое основание N в своей  системе счисления выглядит  как 10, т.е.

                                             N10 = 10N

           (210=102 – посмотрите в таблице, 810=108, 1610=1016  и т.д.).

 

Закономерность 2.

  • Степень любого основания N в своей  системе счисления выглядит как  единица и количество нулей,  равных  степени, т.е.  

                                     Nk =   10…0N

                                                   k

           (посмотрите в таблице:  4=22=1002, 8=23 =10002, тогда 16=24=100002).

 

Закономерность 3.

  • Число, стоящее перед k-той степенью основания, в своей системе счисления выглядит как последовательность из  k  самых больших цифр этой системы  счисления, т.е.

                                           Nk - 1 =    (N-1)…(N-1)N

                                                                     k

                                  тогда      2k – 1 =  1…12   

                                                                 k                          

            (посмотрите в таблице:  3=22-1=112, 7=23 -1=1112, тогда 15=24-1=11112).

 

Закономерность 4.

  • Длина числа при переводе десятичного числа в любую систему счисления N легко определяется по формуле:

                                                 NL-1 ≤  Ch <  NL

           где Ch – исходное число,

                 N – основание системы счисления, куда переводим;

                 L -  длина после перевода в систему счисления с основанием N

            (например: 

                               22  ≤ 5 < 23,  тогда при переводе в двоичную систему счисления длина числа  будет

                                                  равна 3, посмотрите в таблице:   5=1012;

                               23  ≤ 13 < 24,  тогда при переводе в двоичную систему счисления длина числа будет

                                                    равна 4,  посмотрите в таблице:   13=10112).

 

Если закономерности 1, 2 и 3  применяются для быстрого и точного перевода чисел между системами счисления, то закономерность 4  используется для первичной проверки правильности перевода чисел из одной системы счисления в любую другую, что позволяет сэкономить время на проверке результата перевода и дает возможность  избежать ошибок.

 

Но использование закономерностей вместе со знанием таблиц степеней двойки и «дружбы»  дает нам еще ряд преимуществ!

 

Так, помня о нашем принципе быстрых и точных вычислений и в соответствии с закономерностями 2 и 3, рекомендуется выполнять перевод из десятичной системы счисления в двоичную  разложением  числа на степени двойки следующим образом. Вычитаем из числа  степень двойки, которая меньше числа, но  максимально приближенную к нему, Затем с остатком проделываем те же действия до тех пор, пока не разложим все число.

 

       Например:                  25 = 16 + 8 + 1 = 24 + 23 + 20                    (25 – 16 = 9 ;  9 = 8 + 1)

 

После этого,  заменяем присутствующие степени двойки единицами (в соответствии с закономерностью 2),  а пропущенные – нулями в порядке следования степеней, получая двоичную запись числа:

 

                                            25 = 16 + 8 + 1 = 24 + 23 + 20  = 110012

 

(отсутствующие  вторую и первую степени двойки заменяем нулями).

 

На чем еще можно сэкономить время и избежать ошибок?

 

Например, для перевода большого двоичного числа в десятичную систему счисления можно использовать в качестве промежуточной восьмеричную или шестнадцатеричную  системы  счисления, тогда математических операций при переводе будет меньше:

                1100111012  = 110 011 1012  = 6358   =  5*80+3*81+6*82 = 5 + 24 + 384 = 413

или

                1100111012  = 1 1001 11012  = 19D16   =  13*160+9*161+1*162 = 13 + 144 + 256 = 413

 

 

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

 

Решим несколько задач из ОГЭ  по этой теме с использованием изложенных выше закономерностей.

 

Примечание.Так как любое число в нулевой степени равно единице, то при решении задач можно не писать основание в нулевой степени  в разряде единиц.

 

1. Переведите дво­ич­ное число 1110101 в де­ся­тич­ную систему счисления.

 

    Решение:      11101012= 1 110 1012 = 1658 =  5+6*81+1*82 =5+48+64=117

            Или:      11101012= 111 01012 = 7516 =  5+7*161=5+112=117

        Ответ: 117

 

2. Переведите дво­ич­ное число 1100011 в де­ся­тич­ную систему счисления. В ответе укажите только число, основание системы счисления указывать не нужно.

 

        Решение:      11000112= 110 00112 = 7316 =  3+6*161=3+96=99  ( 1+21+25+26= 3+32+64=99)

        Ответ:  99

 

3. Переведите число 135 из десятичной системы счисления в двоичную систему счисления. Сколько единиц содержит полученное число? В ответе укажите одно число — количество единиц.

 

      Решение:                135 = 128+4+2+1= 27 + 22 + 21 + 20

      Ответ:   4 

 

       Никаких лишних действий! Этот ответ получен без окончательного перевода числа в двоичную систему счисления, достаточно посчитать количество двоек в степенях. Это позволило сэкономить время решения задачи и избежать возможных ошибок при дальнейшей записи.

 

4. Переведите число 125 из де­ся­тич­ной си­сте­мы счис­ле­ния в дво­ич­ную си­сте­му счисления. Сколь­ко еди­ниц со­дер­жит по­лу­чен­ное число? В от­ве­те ука­жи­те одно число —количество единиц.

 

      Решение:          125 = 127 – 2 = 11111112  -102 = 11111012

      Ответ:     6

 

5.  Переведите число FE из шест­на­дца­те­рич­ной си­сте­мы счис­ле­ния в дво­ич­ную си­сте­му счисления. В ответе укажите только число, основание системы счисления указывать не нужно.

 

      Решение:     FE16 =  1111 11102    (используем запись тетрадами из таблицы «дружбы»).

      Ответ: 11111110

 

6. Переведите число 143 из де­ся­тич­ной си­сте­мы счис­ле­ния в дво­ич­ную си­сте­му счисления. Сколь­ко зна­ча­щих нулей со­дер­жит по­лу­чен­ное число? В от­ве­те ука­жи­те одно число — ко­ли­че­ство нулей.

 

      Решение:    143 = 128+8+4+2+1 = 27 + 23 + 22 + 21 + 20 , то пропущены всего три (6,5 и 4) степени двойки.

      Ответ:  3

 

7. Переведите число 305 из де­ся­тич­ной си­сте­мы счис­ле­ния в дво­ич­ную си­сте­му счисления. Сколь­ко еди­ниц со­дер­жит по­лу­чен­ное число? В от­ве­те ука­жи­те одно число — ко­ли­че­ство единиц.

 

       Решение:  305 = 256 + 32 + 16 + 1 

                  (305-256=49, 49 - 32=17=16+1)

                  ( т.к. в сложении участвуют всего 4 степени двойки, то результат будет содержать  всего 4

                    единицы.  Степени можно даже не писать)

       Ответ:  4

 

8. Вычислите: 101010102 – 2528 + 716. Ответ запишите в десятичной системе счисления.

       Решение: Для решения задач такого типа нужно сначала перевести все числа в одну систему счисления, а уже потом выполнять действия между ними.

Переведем первое число в восьмеричную систему счисления:

                           101010102 = 2528

Тогда получаем выражение: 2528 – 2528 + 716 = 716 = 710

       Ответ: 7

 

9.  Вычислите значение выражения B916 − 2718. В ответе запишите вычисленное значение в десятичной системе счисления.

       Решение:  Переведем первое число в восьмеричную систему счисления:

                  В916 = 1011 10012 = 10 111 0012 = 2718.        Тогда   2718 - 2718 = 0.

       Ответ: 0

 

10. Вычислите значение выражения EB16 − 3528. Ответ запишите в десятичной системе счисления.

       Решение:   Переведем первое число в восьмеричную систему счисления:

                  EB16 = 111010112 = 3528

                  Тогда разница между двумя исходными числами равна 1.

       Ответ: 1

 

11. Укажите наименьшее четырёхзначное восьмеричное число, двоичная запись которого содержит 5 единиц. В ответе запишите только само восьмеричное число, основание системы счисления указывать не нужно.

       Решение:   Наименьшее двоичное число, содержащее 5 единиц, равно 111112.

         Но чтобы восьмеричное число было четырехзначным нужно, чтобы оно состояло из 4 триад       

         (из 12 цифр). При этом первой цифрой двоичного числа обязательно должна быть 1 (два

         незначащих нуля в начале можно не писать), а остальные единицы будут занимать

         последние разряды числа. Тогда получаем:

                                                                          001 000 001 1112 = 10178

        Ответ: 1017 

 

12. Най­ди­те зна­че­ние вы­ра­же­ния 1116 + 118 : 112. Ответ за­пи­ши­те в дво­ич­ной си­сте­ме счис­ле­ния.

       Решение:  В таких задачах, где нужно выполнять быстро и без ошибок вычисления в различных системах счисления, а результат требуется получить в десятичной, то и решение быстрее и проще выполнить в десятичной системе счисления. Поэтому переводим туда все исходные числа и считаем:

                                             1116 = 16+1 = 17

                                             118 = 8+1 = 9

                                             112 = 2+1 = 3

           Тогда     17 + 9 : 3 = 20

                         20 = 16 + 4 = 24 + 22 = 101002

       Ответ: 10100

 

13.  Даны 4 целых числа, записанные в двоичной системе:

                   10001011, 10111000, 10011011, 10110100.

           Сколько среди них чисел, больших, чем A416+208?

       Решение:  Для выполнения действий над числами, представленными в разных системах счисления, нужно сначала перевести их в наиболее удобную для вас систему счисления, и только потом решать задачу. Для меня наиболее удобной является восьмеричная система счисления:

            100010112 = 2138,  101110002 = 5608, 100110112 = 2338, 101101002 = 2468

            A416 = 101001002 = 2448, и  2448+208=2648.

Тогда из предложенных чисел  подходит только второе число.

       Ответ: 1

 

14. Запись числа 6910  в системе счисления с основанием N оканчивается на 1 и содержит 4 цифры. Чему равно основание этой системы счисления N?

      Решение: Для решения этой задачи используем две закономерности.

Во-первых, последней цифрой числа при переводе из одной системы счисления в другую всегда является первый остаток от деления числа на основание системы счисления, куда переводим. Тогда искомое основание N должно быть кратно 68 (69=х*N+1, то х*N=68): 2, 4, 7 и т.д. Во-вторых, по закономерности 4, получаем  N3≤ 69 < N4.

Тогда при  выполнении этих условий искомое число  N будет равно  4.       

      Ответ: 4

 

15. В системе счисления с основанием N запись числа 4110 оканчивается на 2, а запись числа 13110 — на 1. Чему равно число N?

      Решение: Т.к. в остатках чисел у нас есть цифры 2 и 1, то N≤3. При этом N нужно найти число, кратное числам 39 и 130. Следовательно, N = 13.

      Ответ: 13

 

16. В какой си­сте­ме счис­ле­ния вы­пол­ня­ет­ся ра­вен­ство 12 · 13 = 211?  В от­ве­те ука­жи­те число – ос­но­ва­ние си­сте­мы счис­ле­ния.

      Решение:  При переводе числа 211N в десятичную систему счисления получаем уравнение:

                  211N = 2*N2 + 1*N +1

Для перевода множителей 12 и 13 в десятичную систему счисления вспомним закономерность 1. Тогда 12N = N+2,  13N = N+3.

Следовательно, получаем уравнение:

                (N+2)(N+3) = 2*N2 + N +1

Корнями данного уравнения являются 5 и -1. Но т.к. основание системы счисления является натуральным числом, то N = 5.

      Ответ: 5

 

17. Укажите наименьшее основание системы счисления, в которой запись числа 50 трехзначна.

      Решение:  По закономерности 4 получаем 

                                                                     N2 ≤ 50 < N3.

Следовательно, нам нужно найти наименьшее число, куб которого больше 50.

      Ответ:  4

 

С вопросами, замечаниями или предложениями по теме обращайтесь ко мне на сайте звездина.рус через форму обратной связи,  в группе сайта Вконтакте или  пишите на электронную почту v_zvezdina@mail.ru.

SSL