Отрицательная база - Negative base

А отрицательная база (или отрицательный основание ) может использоваться для построения нестандартная позиционная система счисления. Подобно другим системам с позиционными ценностями, каждая позиция имеет мощность, кратную соответствующей мощности основы системы; но это основание отрицательное, то есть основание б равно −r для некоторого натурального числа р (г ≥ 2).

Системы с отрицательным основанием могут содержать все те же числа, что и стандартные системы с разрядными значениями, но как положительные, так и отрицательные числа представлены без использования знак минус (или, в компьютерном представлении, знаковый бит ); этому преимуществу противостоит повышенная сложность арифметических операций. Необходимость хранить информацию, обычно содержащуюся в отрицательном знаке, часто приводит к тому, что отрицательное базовое число оказывается на одну цифру длиннее, чем его положительный эквивалент.

Общие названия для позиционных систем счисления с отрицательным основанием образованы префикс отрицательный названию соответствующей положительно-базовой системы; Например, негадецимальный (основание -10) соответствует десятичная дробь (база 10), негабаритный (по основанию −2) в двоичный (база 2), отрицательный (основание −3) до тройной (база 3), и четвертичный (основание -4) до четвертичный (база 4).[1][2]

пример

Рассмотрим, что подразумевается под представлением 12243 в негадецимальной системе, основание которой б равно -10:

Кратные
(−10)4 = 10,000(−10)3 = −1,000(−10)2 = 100(−10)1 = −10(−10)0 = 1
12243

Поскольку 10,000 + (−2,000) + 200 + (−40) + 3 = 8,163, представление 12,243−10 в негадецимальной системе счисления эквивалентно 8,16310 в десятичной системе счисления, а −8,16310 в десятичной форме будет написано 9,977−10 в негадецимальной системе.

История

Отрицательные числовые основы впервые были рассмотрены Витторио Грюнвальд в монографии 1885 г., опубликованной в Математические площади Баттаглини.[3] Грюнвальд дал алгоритмы для выполнения сложения, вычитания, умножения, деления, извлечения корня, проверки делимости и преобразования системы счисления. Отрицательные основания позже упоминались мимоходом. А. Дж. Кемпнер в 1936 г.[4] и более подробно изучен Здислав Павляк и А. Вакулич в 1957 г.[5]

Negabinary был реализован в начале Польский компьютер BINEGUMC ), построенный в 1957–59 гг. по идеям З. Павляка и А. Лазаркевича из Математический институт в Варшава.[6] С тех пор реализации были редкостью.

Обозначения и использование

Обозначая базу как −r, каждые целое число а можно записать однозначно как

где каждая цифра dk целое число от 0 до р − 1 и первая цифра dп является > 0 (если только п = 0). База −r расширение а затем задается строкой dпdп−1...d1d0.

Таким образом, системы с отрицательной базой можно сравнить с представление цифр со знаком, такие как сбалансированный тройной, где система счисления положительна, но цифры взяты из частично отрицательного диапазона. (В таблице ниже цифра значения -1 записана как одиночный символ T.)

Некоторые числа имеют одинаковое представление в базе −r как в базе р. Например, числа от 100 до 109 имеют одно и то же представление в десятичной и негадецимальной системе. Так же,

и представлен 10001 в двоичном и 10001 в негабинарном.

Некоторые числа с их разложениями в ряд положительных и соответствующих отрицательных оснований:

Десятичная дробьНегадецимальныйДвоичныйНегабаритныйТроичныйНегативныйСбалансированный троичныйОтрицательный сбалансированный троичныйЧетвертичныйNegaquaternary
−1525−1111110001−1201220T11011T0−331301
−515−1011111−1221T11TT1−1123
−416−1001100−1122TT−1010
−317−111101−1010T010−311
−218−1010−211Т111−212
−119−111−112ТТ−113
0000000000
1111111111
221011022TT22
33111111012010T033
441001001112111Т110130
55101101121221TT11 т11131
6611011010201101T011012132
7711111011211111T111113133
881000110002211210 т10 т20120
9910011100110010010010021121
1019010101111010110110110122122
1119110111111110210211 т1TT23123
121921100111001102201101T030110
131931101111011112211111T131111
141941110100101122221TTTTT1T32112
151951111100111202101TT0TT1033113
1619610000100001212111TT1TT11100100
1719710001100011222121T0TTT0T101101
1819810010101102002001T10TTT0102102

Обратите внимание, что, за исключением отрицательно сбалансированной тройной, базовая −r разложения отрицательных целых чисел имеют четное число цифр, а база −r разложения неотрицательных целых чисел имеют нечетное число цифр.

Расчет

База −r расширение числа можно найти повторным делением на −r, записывая неотрицательные остатки в , и объединение этих остатков, начиная с последнего. Обратите внимание, что если а / б является c с остатком d, тогда до н.э + d = а и поэтому d = адо н.э. Чтобы получить правильную конверсию, значение для c должен быть выбран так, чтобы d неотрицательна и минимальна. Это проиллюстрировано в четвертой строке следующего примера, в котором –5 ÷ –3 должно быть выбрано, чтобы равняться 2 остатку 1 вместо 1 остатка 2.

Например, чтобы преобразовать 146 из десятичной дроби в отрицательную:

Читая остатки назад, мы получаем отрицательное представление 14610: 21102–3.

Доказательство: (((2 · (–3) + 1) · (–3) + 1) · (–3) + 0) · (–3) + 2 = 14610.

Обратите внимание, что в большинстве языки программирования, результат (в целочисленной арифметике) деления отрицательного числа на отрицательное число округляется до 0, обычно оставляя отрицательный остаток. В таком случае мы имеем а = (−р)c + d = (−р)c + dр + р = (−р)(c + 1) + (d + р). Потому что |d| < р, (d + р) положительный остаток. Следовательно, чтобы получить правильный результат в таком случае, компьютерные реализации вышеуказанного алгоритма должны добавить 1 и р к частному и остатку соответственно.

Пример кода реализации

В негабинарный

C #
статический строка ToNegabinary(int ценность){	строка результат = строка.Пустой;	в то время как (ценность != 0)	{		int остаток = ценность % -2;		ценность = ценность / -2;		если (остаток < 0)		{			остаток += 2;			ценность += 1;		}		результат = остаток.Нанизывать() + результат;	}	вернуть результат;}
C ++
авто to_negabinary(int ценность){    стандартное::битсет<размер(int) * CHAR_BIT > результат;    стандартное::size_t bit_position = 0;    в то время как (ценность != 0)    {        const авто div_result = стандартное::div(ценность, -2);        если (div_result.rem < 0)            ценность = div_result.quot + 1;        еще            ценность = div_result.quot;        результат.набор(bit_position, div_result.rem != 0);        ++bit_position;    }    вернуть результат;}

К отрицательному

C #
статический строка отрицательный(int ценность){	строка результат = строка.Пустой;	в то время как (ценность != 0)	{		int остаток = ценность % -3;		ценность = ценность / -3;		если (остаток < 0)		{			остаток += 3;			ценность += 1;		}		результат = остаток.Нанизывать() + результат;	}	вернуть результат;}
Visual Basic .NET
Частный Общий Функция ToNegaternary(ценность Так как Целое число) Так как Строка	Тусклый результат Так как Строка = Строка.Пустой	В то время как ценность <> 0		Тусклый остаток Так как Целое число = ценность Мод -3		ценность /= -3		Если остаток < 0 потом			остаток += 3			ценность += 1		Конец Если		результат = остаток.Нанизывать() & результат	Конец В то время как	Вернуть результатКонец Функция
Python
def отрицательный(я: int) -> ул:    "" "От десятичной дроби к отрицательной." ""    если я == 0:        цифры = ["0"]    еще:        цифры = []        в то время как я != 0:            я, остаток = divmod(я, -3)            если остаток < 0:                я, остаток = я + 1, остаток + 3            цифры.добавить(ул(остаток))    вернуть "".присоединиться(цифры[::-1])
>>> отрицательный(1000)'2212001'
Common Lisp
(defun отрицательный (я)  (если (нулевой я)      "0"      (позволять ((цифры "")            (rem 0))        (петля в то время как (не (нулевой я)) делать          (прогноз            (набор с несколькими значениями (я rem) (обрезать я -3))            (когда (минус rem)              (incf я)              (incf rem 3))            (setf цифры (соединять 'строка (запись в строку rem) цифры))))        цифры)))

К любой отрицательной базе

Ява
общественный Строка negativeBase(int целое число, int база) {    Строка результат = "";    int количество = целое число;    в то время как (количество != 0) {        int я = количество % база;        количество /= база;        если (я < 0) {            я += Математика.пресс(база);            количество++;        }        результат = я + результат;    }    вернуть результат;}
AutoLisp

из интервала [-10 -2]:

(defun негабаза (число баз / копать землю первый)  ;; NUM - любое число. BAZ - любое число в интервале [-10, -2].  ;;  ;; NUM и BAZ будут усечены до целого числа, если они являются плавающими (например, 14.25  ;; будет усечено до 14, -123456789,87 до -123456789 и т. д.).  (если (и (числоp число)           (числоp баз)           (<= (исправить баз) -2)           (> (исправить баз) -11))      (прогноз        (setq баз (плавать (исправить баз))              число (плавать (исправить число))              копать землю (если (= число 0) "0" ""))        (в то время как (/= число 0)               (setq первый (- число (* баз (setq число (исправить (/ число баз))))))               (если (минус первый)                   (setq число (1+ число)                         первый (- первый баз)))               (setq копать землю (strcat (итоа (исправить первый)) копать землю)))        копать землю)      (прогноз        (незамедлительный         (cond           ((и (не (числоp число))                 (не (числоp баз)))            «Неправильный номер и негабаза».)           ((не (числоp число))            "Неправильный номер.")           ((не (числоp баз))            "Неправильная негабаза".)           (т            «Негабаза должна быть внутри интервала [-10 -2]».)))        (принц))))
PHP

Преобразование целого числа в некоторую отрицательную базу:

функция toNegativeBase($ нет, $ base){    $ цифры = массив();    $ base = Intval($ base);    в то время как ($ нет != 0) {        $ temp_no = $ нет;        $ нет = Intval($ temp_no / $ base);        $ остаток = ($ temp_no % $ base);        если ($ остаток < 0) {            $ остаток += пресс($ base);            $ нет++;        }        array_unshift($ цифры, $ остаток);    }    вернуть $ цифры;}
Visual Basic .NET
Функция toNegativeBase(Число Так как Целое число , база Так как Целое число) Так как Система.Коллекции.Универсальный.Список(Из Целое число)    Тусклый цифры Так как Новый Система.Коллекции.Универсальный.Список(Из Целое число)    в то время как Число <> 0        Тусклый остаток Так как Целое число= Число Мод база        Число = CInt(Число / база)         если остаток < 0 тогда            остаток += система.математика.пресс(база)            Число+=1        конец если         цифры.Вставить(0, остаток)    конец в то время как     вернуть цифрыконец функция

Расчет ярлыка

Следующие алгоритмы предполагают, что

  1. вход доступен в биты и закодирован в (основание +2; цифры в ) (как и в большинстве современных цифровых компьютеров),
  2. есть операции добавления (+) и xor (^), которые работают с такими битовыми строками (как в большинстве современных цифровых компьютеров),
  3. набор выходных цифр стандартное, т.е. е. с базой ,
  4. вывод кодируется в том же формате битовой строки, но значение мест другое.

В негабинарный

Преобразование в негабаритный (основание −2; цифры в ) позволяет замечательный ярлык (реализация C):

беззнаковый int toNegaBinary(беззнаковый int ценность) // ввод в стандартном двоичном формате{	беззнаковый int Schroeppel2 = 0xAAAAAAAA; // = 2/3*((2*2)^16-1) = ...1010	вернуть (ценность + Schroeppel2) ^ Schroeppel2; // Эксклюзивный или	// результирующее целое число без знака интерпретируется как строка элементов ε {0,1} (биты)}

Благодаря Д. Либрику (Судзику). Поразрядная часть XOR изначально связана с Schroeppel (1972).[7]

Порт JavaScript для того же вычисления ярлыка:

функция toNegaBinary(количество) {    вар Schroeppel2 = 0xAAAAAAAA;    // преобразовать в отрицательную двоичную строку    вернуть ( ( количество + Schroeppel2 ) ^ Schroeppel2 ).нанизывать(2);}

К четвертичным

Преобразование в четвертичный (основание −4; цифры в ) позволяет аналогичный ярлык (реализация C):

беззнаковый int toNegaQuaternary(беззнаковый int ценность) // ввод в стандартном двоичном формате{	беззнаковый int Schroeppel4 = 0xCCCCCCCC; // = 4/5*((2*4)^8-1) = ...11001100 = ...3030	вернуть (ценность + Schroeppel4) ^ Schroeppel4; // Эксклюзивный или	// результирующее целое число без знака интерпретируется как строка элементов ε {0,1,2,3} (пары битов)}

Порт JavaScript для того же вычисления ярлыка:

функция toNegaQuaternary(количество) {    вар Schroeppel4 = 0xCCCCCCCC;    // Преобразовать в NegaQuaternary String    вернуть ( ( количество + Schroeppel4 ) ^ Schroeppel4 ).нанизывать(4);}

Арифметические операции

Ниже описаны арифметические операции для негабинарных чисел; вычисления в более крупных базах аналогичны.

Дополнение

Сложение негабинарных чисел происходит поразрядно, начиная с младшие значащие биты; биты из каждого слагаемого суммируются с (сбалансированный тройной ) переносятся из предыдущего бита (0 в младшем разряде). Эта сумма затем разлагается на выходной бит и переносится на следующую итерацию, как показано в таблице:

СуммаВыводКомментарий
НемногоНести
−2010−20101−2−2 возникает только при вычитании.
−1011−21101−2
0000−20000−2
1001−21000−2
2110−20−111−2
3111−21−111−23 происходит только во время сложения.

Вторая строка этой таблицы, например, выражает тот факт, что −1 = 1 + 1 × −2; пятая строка говорит 2 = 0 + −1 × −2; и т.п.

Например, чтобы добавить 1010101−2 (1 + 4 + 16 + 64 = 85) и 1110100−2 (4 + 16 − 32 + 64 = 52),

Перенести: 1 −1 0 −1 1 −1 0 0 0 Первое сложение: 1 0 1 0 1 0 1 Второе слагаемое: 1 1 1 0 1 0 0 + ----------------- --------- Число: 1 −1 2 0 3 −1 2 0 1 Бит (результат): 1 1 0 0 1 1 0 0 1 Перенос: 0 1 −1 0 −1 1 −1 0 0

так что результат 110011001−2 (1 − 8 + 16 − 128 + 256 = 137).

Другой способ

При добавлении двух отрицательных чисел каждый раз, когда создается перенос, дополнительный перенос должен передаваться на следующий бит. Рассмотрим тот же пример, что и выше

Дополнительный перенос: 1 1 0 1 0 0 0 Перенос: 1 0 1 1 0 1 0 0 0 Первое добавление: 1 0 1 0 1 0 1 Второе добавление: 1 1 1 0 1 0 0 + ---------- ---------------- Ответ: 1 1 0 0 1 1 0 0 1

Негабинарный полный сумматор

А полный сумматор Схема может быть разработана для сложения чисел в отрицательной системе. Для расчета суммы и переносов используется следующая логика:[8]

Увеличение негабинарных чисел

Увеличение негабинарного числа можно выполнить по следующей формуле:[9]

Вычитание

Чтобы вычесть, умножьте каждый бит второго числа на -1 и сложите числа, используя ту же таблицу, что и выше.

Например, для вычисления 1101001−2 (1-8-32 + 64 = 25) минус 1110100−2 (4 + 16 − 32 + 64 = 52),

Перенести: 0 1 −1 1 0 0 0 Первое число: 1 1 0 1 0 0 1 Второе число: −1 −1 −1 0 −1 0 0 + ----------------- --- Число: 0 1 −2 2 −1 0 1 Бит (результат): 0 1 0 0 1 0 1 Перенос: 0 0 1 −1 1 0 0

так что результат будет 100101−2 (1 + 4 −32 = −27).

Унарное отрицание, Икс, может быть вычислено как двоичное вычитание из нуля, 0 − Икс.

Умножение и деление

Сдвиг влево умножается на -2, сдвиг вправо делится на -2.

Умножать, умножать как обычно десятичная дробь или двоичный числа, но используя негабинарные правила для добавления переноса при сложении чисел.

Первое число: 1 1 1 0 1 1 0 Второе число: 1 0 1 1 0 1 1 × ------------------------------ ------- 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 + ------- ------------------------------ Перенести: 0 −1 0 −1 −1 −1 −1 −1 0 −1 0 0 Число: 1 0 2 1 2 2 2 3 2 0 2 1 0 Бит (результат): 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 Перенос: 0 −1 0 −1 −1 −1 −1 −1 0 −1 0 0

Для каждого столбца добавьте нести к количество, и разделите сумму на −2, чтобы получить новый нести, а полученный бит - как остаток.

Сравнение негабинарных чисел

Можно сравнить негабинарные числа, немного изменив обычное беззнаковое число. двоичный компаратор. При сравнении чисел и , инвертируйте каждый нечетный бит обоих чисел. и с использованием стандартного компаратора без знака.[10]

Дробные числа

База −r представление, конечно, может осуществляться за пределы точка счисления, позволяющий представлять нецелые числа.

Как и в случае систем с положительным основанием, завершающие представления соответствуют дробям, знаменатель которых является степенью основания; повторяющиеся представления соответствуют другим рациональным числам и по той же причине.

Неуникальные представления

В отличие от систем с положительным основанием, где целые числа и завершающие дроби имеют неуникальные представления (например, в десятичном 0.999... = 1 ) в системах с отрицательной базой целые числа имеют только одно представление. Однако существуют рациональные числа с неуникальными представлениями. Для цифр {0, 1, ..., т} с участием самая большая цифра и

у нас есть

а также

Итак, каждое число с конечная дробь Added имеет два различных представления.

Например, в негативном, т.е. и , есть

.

Такие неуникальные представления можно найти, рассматривая наибольшее и наименьшее возможные представления с целыми частями 0 и 1 соответственно, а затем отмечая, что они равны. (На самом деле, это работает с любой системой с целочисленной базой.) Рациональные числа, таким образом, не однозначно выражаемые, имеют вид

с участием

Воображаемая база

Так же, как использование отрицательной базы позволяет представлять отрицательные числа без явного отрицательного знака, с помощью воображаемый база позволяет представить Гауссовские целые числа. Дональд Кнут предложил четвертичная мнимая база (база 2i) в 1955 году.[11]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Кнут, Дональд (1998), Искусство программирования, Том 2 (3-е изд.), Стр. 204–205.. Кнут упоминает как негабаритные, так и негадецимальные числа.
  2. ^ Негативная система кратко обсуждается в Петковшек, Марко (1990), «Неоднозначные числа плотны», Американский математический ежемесячник, 97 (5): 408–411, Дои:10.2307/2324393, ISSN  0002-9890, JSTOR  2324393, Г-Н  1048915.
  3. ^ Витторио Грюнвальд. Intorno all'aritmetica dei sistemi numerici базовое отрицание с определенным ригидом al sistema numerico базовое отрицательно-десятичное значение для студии delle sue analogie coll'aritmetica ordinaria (decimale), Математические площади Баттаглини (1885), 203-221, 367
  4. ^ Кемпнер, А. Дж. (1936), «Анормальные системы счисления», Американский математический ежемесячный журнал, 43 (10): 610–617, Дои:10.2307/2300532, JSTOR  2300532, Г-Н  1523792. Единственная ссылка на отрицательные основания - это сноска на странице 610, которая гласит: «Положительные числа меньше 1 и отрицательные числа могут использоваться в качестве оснований с небольшими изменениями процесса и подходящими ограничениями на набор используемых цифр».
  5. ^ Pawlak, Z .; Вакулич, А. (1957), "Использование разложений с отрицательным основанием в арифмометре цифрового компьютера", Bulletin de l'Académie Polonaise des Sciences, Класс III, 5: 233–236.
  6. ^ Марчинский, Р. В., «Первые семь лет польской вычислительной техники» В архиве 2011-07-19 на Wayback Machine, IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 2, № 1, январь 1980 г.
  7. ^ См. Ссылку MathWorld Negabinary
  8. ^ Фрэнсис, Ю; Суганда, Джутамулия; Шизухуо, Инь (4 сентября 2001 г.). Введение в информационную оптику. Академическая пресса. п. 498. ISBN  9780127748115.
  9. ^ «Архивная копия». Получено 2016-08-29.
  10. ^ Муругесан, Сан (1977). «Отрицательные арифметические схемы с использованием двоичной арифметики». Журнал IEE по электронным схемам и системам. 1 (2): 77. Дои:10.1049 / ij-ecs.1977.0005.
  11. ^ Д. Кнут. Искусство программирования. Том 2, 3-е издание. Эддисон-Уэсли. С. 205, "Позиционные системы счисления"

дальнейшее чтение

внешние ссылки