Позиционная система с цифрами со знаком; представление может быть не уникальным
В математической записи чисел знаковое цифровое представление — это позиционная система счисления с набором знаковых цифр , используемых для кодирования целых чисел .
Представление со знаком может использоваться для быстрого сложения целых чисел, поскольку оно позволяет исключить цепочки зависимых переносов. [1] В двоичной системе счисления особым случаем представления со знаком является несмежная форма , которая может обеспечить выигрыш в скорости при минимальных затратах пространства.
История
Проблемы в вычислениях побудили ранних авторов Колсона (1726) и Коши (1840) использовать знаковое цифровое представление. Дальнейший шаг замены отрицательных цифр новыми был предложен Селлингом (1887) и Каджори (1928).
В 1928 году Флориан Каджори отметил повторяющуюся тему знаковых цифр, начиная с Колсона (1726) и Коши (1840). [2] В своей книге «История математических обозначений » Каджори назвал раздел «Отрицательные числа». [3] Для полноты Колсон [4] использует примеры и описывает сложение (стр. 163–4), умножение (стр. 165–6) и деление (стр. 170–1), используя таблицу кратных делителю. Он объясняет удобство приближения усечением при умножении. Колсон также разработал инструмент (таблицу подсчета), который вычислял с использованием знаковых цифр.
Эдуард Селлинг [5] выступал за перестановку цифр 1, 2, 3, 4 и 5 для обозначения отрицательного знака. Он также предложил snie , jes , jerd , reff и niff в качестве имен для использования вслух. Большинство других ранних источников использовали черту над цифрой для обозначения отрицательного знака. Другое немецкое использование знаковых цифр было описано в 1902 году в энциклопедии Кляйна [6] .
Определение и свойства
Набор цифр
Пусть будет конечным набором числовых цифр с мощностью (если , то позиционная система счисления тривиальна и представляет только тривиальное кольцо ), при этом каждая цифра обозначается как для , что известно как основание системы счисления или основание системы счисления . может использоваться для представления знаковых цифр, если оно связано с уникальной функцией такой, что для всех
Эта функция строго и формально устанавливает, как целочисленные значения присваиваются символам/глифам в Одним из преимуществ этого формализма является то, что определение «целых чисел» (как бы они ни были определены) не смешивается с какой-либо конкретной системой их записи/представления; таким образом, эти два различных (хотя и тесно связанных) понятия сохраняются раздельно.
можно разбить на три различных множества , и , представляющих положительные, нулевые и отрицательные цифры соответственно, так что все цифры удовлетворяют , все цифры удовлетворяют и все цифры удовлетворяют . Мощность множества равна , мощность множества равна , и мощность множества равна , что дает количество положительных и отрицательных цифр соответственно, так что .
Представления в сбалансированной форме — это представления, в которых для каждой положительной цифры существует соответствующая отрицательная цифра, такая что . Отсюда следует, что . Только нечетные основания могут иметь представления в сбалансированной форме, так как в противном случае должно быть противоположно себе и, следовательно, 0, но . В сбалансированной форме отрицательные цифры обычно обозначаются как положительные цифры с чертой над цифрой, как для . Например, набор цифр сбалансированной троичной системы будет иметь вид , , и . Это соглашение принято в конечных полях нечетного простого порядка : [7]
Представление двойной знаковой цифры
Каждый набор цифр имеет дуальный набор цифр, заданный обратным порядком цифр с изоморфизмом, определяемым соотношением . В результате для любых знаковых представлений кольца числовой системы, построенных из с оценкой , существует дуальное знаковое представление , , построенное из с оценкой , и изоморфизм, определяемый соотношением , где — аддитивный обратный оператор для . Набор цифр для представлений сбалансированной формы является самодуальным .
Для целых чисел
Учитывая набор цифр и функцию , определенные выше, определим целочисленную эндофункцию следующим образом:
Если единственная периодическая точка — это неподвижная точка , то множество всех знаковых цифровых представлений целых чисел с использованием задается с помощью Клини плюс , множества всех конечных конкатенированных строк цифр с по крайней мере одной цифрой, с . Каждое знаковое цифровое представление имеет оценку
- .
Примерами могут служить сбалансированные троичные числа с цифрами .
В противном случае, если существует ненулевая периодическая точка , то существуют целые числа, которые представлены бесконечным числом ненулевых цифр в . Примерами служат стандартная десятичная система счисления с набором цифр , которая требует бесконечного числа цифр для представления аддитивной инверсии , как , и позиционная система счисления с набором цифр с , которая требует бесконечного числа цифр для представления числа , как .
Для десятичных дробей
Если целые числа могут быть представлены с помощью знакового числа Клини , то множество всех знаковых цифровых представлений десятичных дробей , или -адических рациональных чисел , задается как , декартово произведение знакового числа Клини , множества всех конечных конкатенированных строк цифр , содержащих хотя бы одну цифру, синглетона, состоящего из точки основания ( или ), и звезды Клини , множества всех конечных конкатенированных строк цифр , с . Каждое знаковое цифровое представление имеет оценку
Для действительных чисел
Если целые числа могут быть представлены с помощью плюса Клини , то множество всех знаковых цифровых представлений действительных чисел задается как , декартово произведение плюса Клини , множество всех конечных конкатенированных строк цифр, содержащих хотя бы одну цифру, синглетон, состоящий из точки основания ( или ), и пространство Кантора , множество всех бесконечных конкатенированных строк цифр , с . Каждое знаковое цифровое представление имеет оценку
- .
Бесконечный ряд всегда сходится к конечному действительному числу.
Для других систем счисления
Все числительные с основанием могут быть представлены в виде подмножества , множества всех дважды бесконечных последовательностей цифр в , где — множество целых чисел , а кольцо числительных с основанием представляется формальным кольцом степенных рядов , дважды бесконечным рядом
где для .
Целые числа по модулю степениб
Множество всех знаковых цифровых представлений целых чисел по модулю , задается множеством , множеством всех конечных конкатенированных строк цифр длины , с . Каждое знаковое цифровое представление имеет оценку
Группы Prüfer
Группа Прюфера — это фактор-группа целых чисел и -адических рациональных чисел. Множество всех знаковых цифровых представлений группы Прюфера задается звездой Клини , множеством всех конечных конкатенированных строк цифр , с . Каждое знаковое цифровое представление имеет оценку
Группа круга
Группа окружности — это фактор-группа целых и действительных чисел. Множество всех знаковых цифровых представлений группы окружности задается пространством Кантора , множеством всех бесконечных справа конкатенированных строк цифр . Каждое знаковое цифровое представление имеет оценку
Бесконечный ряд всегда сходится .
б-адические целые числа
Множество всех знаковых цифровых представлений -адических целых чисел задается пространством Кантора , множеством всех конкатенированных строк цифр, уходящих влево и бесконечных . Каждое знаковое цифровое представление имеет оценку
б-адические соленоиды
Множество всех знаковых цифровых представлений -адических соленоидов задается пространством Кантора , множеством всех дважды бесконечных конкатенированных строк цифр . Каждое знаковое цифровое представление имеет оценку
В письменной и устной речи
Индоарийские языки
Устные и письменные формы чисел в индоарийских языках используют отрицательное числительное (например, «un» на хинди и бенгали , «un» или «unna» на пенджаби , «ekon» на маратхи ) для чисел от 11 до 90, которые заканчиваются на девять. Числа, за которыми следуют их названия, показаны ниже для пенджаби (префикс «ik» означает «один»): [8]
- 19 унни, 20 вих, 21 икки
- 29 унатти, 30 тих, 31 икатти
- 39 унтали, 40 чали, 41 иктали
- 49 унанджа, 50 панджа, 51 икванджа
- 59 унахат, 60 сатх, 61 икахат
- 69 унаттар, 70 саттар, 71 ихаттар
- 79 унаси, 80 асси, 81 икиаси
- 89 унанве, 90 наббе, 91 икиннавен.
Аналогично в языке сесото отрицательные числительные используются для образования цифр 8 и 9.
- 8 робели (/Ро-бэй-ди/) означает «сломать два», т.е. два пальца вниз
- 9 робонг (/Ро-бонг/) означает «сломать один», т.е. один палец вниз
Классическая латынь
В классической латыни [ 9] целые числа 18 и 19 даже не имели устной или письменной формы, включая соответствующие части для «восьмерки» или «девятки» на практике — несмотря на то, что они существовали. Вместо этого в классической латыни
- 18 = duodēvīgintī («два из двадцати»), (IIXX или XIIX),
- 19 = ūndēvīgintī («один, взятый из двадцати»), (IXX или XIX)
- 20 = вигинти («двадцать»), (ХХ).
Для будущих целых чисел [28, 29, 38, 39, ..., 88, 89] аддитивная форма в языке была гораздо более распространена, однако для перечисленных чисел предпочтительнее была указанная выше форма. Поэтому, приближаясь к тридцати, числа выражались как: [10]
- 28 = duodētrīgintā («два из тридцати»), реже также vīgintī octō / octō et vīgintī («двадцать восемь / восемь и двадцать»), (IIXXX или XXIX против XXVIII, последний был полностью вытеснен.)
- 29 = ūndētrīgintā («один, взятый из тридцати»), хотя менее предпочтительная форма также была в их распоряжении.
Это одно из основных оснований рассуждений современных историков, объясняющее, почему субтрактивные I- и II- были так распространены в этом диапазоне количественных числительных по сравнению с другими диапазонами. Числительные 98 и 99 также могли быть выражены в обеих формах, однако «от двух до ста» могло звучать немного странно — явным доказательством этого является редкое появление этих чисел, записанных в субтрактивной форме в подлинных источниках.
Финский язык
Есть еще один язык, имеющий эту особенность (пока только в следах), однако, все еще активно используемый сегодня. Это финский язык , где (прописанные) цифры используются таким образом, если встречается цифра 8 или 9. Схема такая: [11]
- 1 = «yksi» (Примечание: yhd- или yht- в основном, когда нужно отклонить; например, «yhdessä» = «вместе, как одно [сущность]»)
- 2 = «какси» (также обратите внимание: кахде-, кахте- при отклонении)
- 3 = "колме"
- 4 = "нелья"
...
- 7 = "seitsemän"
- 8 = "ках(д)ексан" (осталось два [чтобы до него дойти])
- 9 = "yh(d)eksän" (один остался [чтобы он дошел])
- 10 = "кюмменен" (десять)
Приведенный выше список не является особым случаем, следовательно, он появляется и в более крупных количественных числительных, например:
- 399 = "kolmesataayhdeksänkymmentäyhdeksän"
Подчеркивание этих признаков сохраняется даже в самых кратких разговорных формах числительных:
- 1 = "гг"
- 2 = "каа"
- 3 = "ку"
...
- 7 = "сейска"
- 8 = "каси"
- 9 = "иси"
- 10 = "кимппи"
Однако это явление не оказывает никакого влияния на письменность цифр, финны используют стандартную западно-арабскую десятичную систему счисления.
Отсчет времени
В английском языке принято называть время, например, «seven to three», «to», выполняя отрицание.
Другие системы
Существуют и другие знаковые цифровые основания, такие как основание . Ярким примером этого является кодирование Бута , в котором цифра установлена с помощью и , но которое использует основание . Стандартная двоичная система счисления будет использовать только цифры значения .
Обратите внимание, что нестандартные знаковые цифровые представления не являются уникальными. Например:
Несмежная форма ( NAF) кодирования Бута гарантирует уникальное представление для каждого целочисленного значения. Однако это применимо только к целочисленным значениям. Например, рассмотрим следующие повторяющиеся двоичные числа в NAF,
Смотрите также
Примечания и ссылки
- ^ Дхананджай Фатак, И. Корен (1994) Гибридные системы знаковых цифр: унифицированная структура для избыточных представлений чисел с ограниченными цепями распространения переноса
- ^ Огюстен-Луи Коши (16 ноября 1840 г.) «Sur les moyens d'eviter les erreurs dans les Calculs numerique», Comptes rendus 11:789. Также найден в комплектах Oevres Ser. 1, том. 5, стр. 434–42.
- ^ Каджори, Флориан (1993) [1928-1929]. История математических обозначений . Dover Publications . стр. 57. ISBN 978-0486677668.
- ↑ Колсон, Джон (1726). «Краткое изложение отрицательно-утвердительной арифметики, г-н Джон Колсон, член Королевского общества» Philosophical Transactions (1683-1775) . 34 : 161–173. ISSN 0260-7085. JSTOR 103469.
- ^ Эдуард Селлинг (1887) Eine neue Rechenmachine , стр. 15–18, Берлин
- ^ Рудольф Мемке (1902) «Numerisches Rechen», §4 Beschränkung in den verwendeten Ziffern, энциклопедия Кляйна , I-2, стр. 944.
- ^ Хиршфельд, JWP (1979). Проективные геометрии над конечными полями . Oxford University Press . стр. 8. ISBN 978-0-19-850295-1.
- ^ Цифры на пенджаби из Quizlet
- ^ Дж. Мэтью Харрингтон (2016) Синопсис древней латинской грамматики
- ^ "duodetriginta", Викисловарь, бесплатный словарь , 25 марта 2020 г. , получено 7 апреля 2024 г.
- ^ "Киелитоимистон санакирья". www.kielitoimistonsanakirja.fi . Проверено 7 апреля 2024 г.
- Дж. П. Балантин (1925) «Цифра для отрицательной единицы», American Mathematical Monthly 32:302.
- Луй Хан, Дондонг Чен, Сок-Бум Ко, Хан А. Вахид «Неспекулятивный десятичный знаковый сумматор» с кафедры электротехники и вычислительной техники, Университет Саскачевана .