Степень двойки — это число вида 2 n , где n — целое число , то есть результат возведения в степень с числом два в качестве основания и целым числом n в качестве показателя степени .
Степени двойки с неотрицательными показателями являются целыми числами: 2 0 = 1 , 2 1 = 2 , а 2 n равно двум, умноженному на себя n раз. [1] [2] Первые десять степеней двойки для неотрицательных значений n равны:
Для сравнения, степени двойки с отрицательными показателями являются дробями : для отрицательного целого числа n , 2 n равно половине, умноженной на себя n раз. Таким образом, первые несколько степеней двойки, где n отрицательно , 1/2 , 1/4 , 1/8 , 1/16 и т. д. Иногда их называют обратными степенями двойки , поскольку каждая из них является мультипликативной обратной величиной положительной степени двойки.
Поскольку два является основанием двоичной системы счисления , степени двойки распространены в информатике . Записанная в двоичном виде, степень двойки всегда имеет вид 100...000 или 0,00...001, как и степень 10 в десятичной системе.
Два в степени n , записанное как 2 n , — это количество способов, которыми могут быть расположены биты в двоичном слове длины n . Слово, интерпретируемое как целое число без знака , может представлять значения от 0 ( 000...000 2 ) до 2 n − 1 ( 111...111 2 ) включительно. Соответствующие целые числа со знаком могут быть положительными, отрицательными и нулевыми; см. представление знаковых чисел . В любом случае, единица меньше степени двойки часто является верхней границей целого числа в двоичных компьютерах. Как следствие, числа этой формы часто появляются в компьютерном программном обеспечении. Например, видеоигра, работающая на 8-битной системе, может ограничивать счет или количество предметов, которые может держать игрок, до 255 — результат использования байта длиной 8 бит для хранения числа, что дает максимальное значение 2 8 − 1 = 255 . Например, в оригинальной Legend of Zelda главный герой мог носить с собой только 255 рупий (игровая валюта) в любой момент времени, а в видеоигре Pac-Man на 256-м уровне есть экран убийства .
Степени двойки часто используются для измерения компьютерной памяти. Байт теперь считается восемью битами (октетом ) , что приводит к возможности 256 значений (2 8 ). (Термин байт когда-то означал (а в некоторых случаях и сейчас означает) набор битов , как правило, от 5 до 32 бит, а не только 8-битную единицу.) Префикс кило в сочетании с байтом может использоваться и традиционно использовался для обозначения 1024 (2 10 ). Однако, в целом, термин кило использовался в Международной системе единиц для обозначения 1000 (10 3 ). Двоичные префиксы были стандартизированы, например, киби (Ки), что означает 1024. Почти все регистры процессора имеют размеры, которые являются степенями двойки, 32 или 64 являются очень распространенными.
Степени двойки встречаются и в других местах. Для многих дисководов , по крайней мере, один из размера сектора, количества секторов на дорожку и количества дорожек на поверхность является степенью двойки. Размер логического блока почти всегда является степенью двойки.
Числа, которые не являются степенями двойки, встречаются в ряде ситуаций, например, в разрешениях видео, но они часто являются суммой или произведением только двух или трех степеней двойки или степеней двойки минус один. Например, 640 = 32 × 20 и 480 = 32 × 15. Другими словами, они имеют довольно регулярные битовые шаблоны.
Простое число , которое на единицу меньше степени двойки, называется простым числом Мерсенна . Например, простое число 31 является простым числом Мерсенна, потому что оно на 1 меньше 32 (2 5 ). Аналогично, простое число (например, 257 ), которое на единицу больше положительной степени двойки, называется простым числом Ферма — показатель степени сам по себе является степенью двойки. Дробь , знаменатель которой — степень двойки, называется двоично-рациональной . Числа, которые можно представить в виде сумм последовательных положительных целых чисел, называются вежливыми числами ; это в точности те числа, которые не являются степенями двойки.
Геометрическая прогрессия 1, 2, 4, 8, 16, 32, ... (или, в двоичной системе счисления , 1, 10, 100, 1000, 10000, 100000, ... ) важна в теории чисел . Книга IX, предложение 36 « Начал» доказывает, что если сумма первых n членов этой прогрессии является простым числом (и, таким образом, является простым числом Мерсенна, как упоминалось выше), то эта сумма, умноженная на n- й член, является совершенным числом . Например, сумма первых 5 членов ряда 1 + 2 + 4 + 8 + 16 = 31, что является простым числом. Сумма 31, умноженная на 16 (5-й член ряда), равна 496, что является совершенным числом.
В предложении 35 книги IX доказывается, что если в геометрической прогрессии первый член вычесть из второго и последнего члена последовательности, то как избыток второго относится к первому, так и избыток последнего относится ко всем предшествующим ему. (Это переформулировка нашей формулы для геометрической прогрессии, приведенной выше.) Применяя это к геометрической прогрессии 31, 62, 124, 248, 496 (которая получается из 1, 2, 4, 8, 16 путем умножения всех членов на 31), мы видим, что 62 минус 31 относится к 31 так же, как 496 минус 31 относится к сумме 31, 62, 124, 248. Следовательно, числа 1, 2, 4, 8, 16, 31, 62, 124 и 248 в сумме дают 496, и далее это все числа, которые делят 496. Предположим, что p делит 496, и его нет среди этих чисел. Предположим, что p q равно 16 × 31 , или 31 относится к q так же, как p относится к 16. Теперь p не может делить 16, иначе оно было бы среди чисел 1, 2, 4, 8 или 16. Следовательно, 31 не может делить q . И поскольку 31 не делит q, а q равно 496, основная теорема арифметики подразумевает, что q должно делить 16 и быть среди чисел 1, 2, 4, 8 или 16. Пусть q равно 4, тогда p должно быть равно 124, что невозможно, поскольку по гипотезе p не входит в число чисел 1, 2, 4, 8, 16, 31, 62, 124 или 248.
(последовательность A000079 в OEIS )
Начиная с 2 последняя цифра периодична с периодом 4, с циклом 2–4–8–6–, а начиная с 4 последние две цифры периодически с периодом 20. Эти шаблоны, как правило, верны для любой степени относительно любого основания . Шаблон продолжается там, где каждый шаблон имеет начальную точку 2 k , а период является мультипликативным порядком 2 по модулю 5 k , что равно φ (5 k ) = 4 × 5 k −1 (см. Мультипликативная группа целых чисел по модулю n ). [ необходима цитата ]
(последовательность A140300 в OEIS )
Первые несколько степеней 2 10 немного больше, чем те же самые степени 1000 (10 3 ). Значения степеней 2 10 , которые имеют отклонение менее 25%, перечислены ниже:
Для достижения 50% отклонения требуется приблизительно 17 степеней 1024, а для достижения 100% отклонения тех же степеней 1000 — приблизительно 29 степеней 1024. [3] См. также Двоичные префиксы и IEEE 1541-2002 .
Поскольку данные (в частности, целые числа) и адреса данных хранятся с использованием одного и того же оборудования, а данные хранятся в одном или нескольких октетах ( 2 3 ), двойные экспоненты двух являются обычным явлением. Первые 20 из них:
См. также число Ферма , тетрацию и низшие гипероперации .
Все эти числа больше 4 заканчиваются цифрой 6. Начиная с 16 последние две цифры периодические с периодом 4, с циклом 16–56–36–96–, а начиная с 16 последние три цифры периодические с периодом 20. Эти закономерности, как правило, справедливы для любой степени относительно любого основания . Закономерность продолжается, когда каждая закономерность имеет начальную точку 2 k , а период — это мультипликативный порядок 2 по модулю 5 k , который равен φ (5 k ) = 4 × 5 k −1 (см. Мультипликативная группа целых чисел по модулю n ). [ необходима цитата ]
В связи с числами эти числа часто называют степенями Ферма 2 .
Числа образуют последовательность иррациональности : для каждой последовательности положительных целых чисел ряд
сходится к иррациональному числу . Несмотря на быстрый рост этой последовательности, это самая медленно растущая из известных последовательностей иррациональности. [4]
Поскольку для типов компьютерных данных характерно иметь размер , являющийся степенью двойки, эти числа подсчитывают количество представимых значений этого типа. Например, 32-битное слово, состоящее из 4 байтов, может представлять 2 32 различных значений, которые можно рассматривать как простые битовые комбинации или чаще интерпретировать как беззнаковые числа от 0 до 2 32 − 1 или как диапазон знаковых чисел от −2 31 до 2 31 − 1. Подробнее о представлении знаковых чисел см. в разделе дополнение до двух .
00
) до 255 ( FF
) включительно. Это дает 8 бит для каждого канала или 24 бита в общей сложности; например, чистый черный — #000000
, чистый белый — #FFFFFF
. Пространство всех возможных цветов, 16 777 216, может быть определено как 16 6 (6 цифр с 16 возможными значениями для каждого), 256 3 (3 канала с 256 возможными значениями для каждого) или 2 24 (24 бита с 2 возможными значениями для каждого).int
переменной в языках программирования Java , C# и SQL .Cardinal
или Integer
в языке программирования Pascal .В музыкальной нотации все немодифицированные значения нот имеют длительность, равную целой ноте, деленной на степень двойки; например, половинная нота (1/2), четвертная нота (1/4), восьмая нота (1/8) и шестнадцатая нота (1/16). Ноты с точкой или иным образом модифицированные имеют другие длительности. В тактовых размерах нижняя цифра, единица удара , которую можно рассматривать как знаменатель дроби, почти всегда является степенью двойки.
Если отношение частот двух тонов равно степени двойки, то интервал между этими тонами равен полным октавам . В этом случае соответствующие ноты имеют одинаковое название.
Математическое совпадение , из , тесно связывает интервал из 7 полутонов в равномерной темперации с чистой квинтой чистой интонации : , с точностью около 0,1%. Чистая квинта является основой пифагорейской настройки ; разница между двенадцатью чистыми квинтами и семью октавами является пифагорейской коммой . [9]
Сумма всех n -выборных биномиальных коэффициентов равна 2 n . Рассмотрим множество всех n -значных двоичных целых чисел. Его мощность равна 2 n . Это также суммы мощностей определенных подмножеств: подмножество целых чисел без единиц (состоящих из одного числа, записанного как n нулей), подмножество с одной единицей, подмножество с двумя единицами и так далее до подмножества с n единицами (состоящего из числа, записанного как n единиц). Каждое из них, в свою очередь, равно биномиальному коэффициенту, индексированному n , и количеству рассматриваемых единиц (например, есть 10-выборных-3 двоичных чисел с десятью цифрами, которые включают ровно три единицы).
В настоящее время единственными известными почти совершенными числами являются степени двойки .
Мощность множества a всегда равна 2 | a | , где | a | — мощность a .
Число вершин n -мерного гиперкуба равно 2 n . Аналогично, число ( n − 1) -граней n -мерного кросс-политопа также равно 2 n , а формула для числа x -граней n -мерного кросс-политопа имеет вид
Сумма первых степеней двойки (начиная с ) определяется по формуле:
для любого положительного целого числа.
Таким образом, сумма мощностей
можно вычислить просто, оценив: (что является «шахматным числом»).
Сумма обратных величин степеней двойки равна 1. Сумма обратных величин квадратов степеней двойки (степеней четверки) равна 1/3.
Наименьшая натуральная степень двойки, десятичная запись которой начинается с 7, равна [10]
Каждая степень двойки (исключая 1) может быть записана в виде суммы четырех квадратных чисел 24 способами . Степени двойки — это натуральные числа, большие 1, которые могут быть записаны в виде суммы четырех квадратных чисел наименьшим количеством способов.
Как действительный многочлен , a n + b n является неприводимым , если и только если n является степенью двойки. (Если n нечетно, то a n + b n делится на a + b , а если n четно, но не является степенью двойки, то n можно записать как n = mp , где m нечетно, и, таким образом , , что делится на a p + b p .) Но в области комплексных чисел многочлен (где n >= 1) всегда можно разложить на множители как , даже если n является степенью двойки.
Единственные известные степени числа 2 со всеми четными цифрами: 2^1 = 2, 2^2 = 4, 2^3 = 8, 2^6 = 64 и 2^11 = 2048. [11] Первые 3 степени числа 2 со всеми нечетными цифрами, кроме последней, это 2^4 = 16, 2^5 = 32 и 2^9 = 512. Следующая такая степень числа 2 вида 2^n должна иметь n не менее чем из 6 цифр. Единственные степени числа 2 со всеми различными цифрами: 2^0 = 1 до 2^15 = 32768, 2^20 = 1048576 и 2^29 = 536870912.
Коды Хаффмана обеспечивают оптимальное сжатие данных без потерь , когда вероятности исходных символов являются отрицательными степенями двойки. [12]