Методическая разработка
по дисциплине «Информатика»
на тему
«Двоичное представление информации. Системы счисления»
Пояснительная записка
Методическое пособие содержит краткое описание систем счислений, используемых в ЭВМ, а также примеры перевода чисел из одной системы счисления в другую и арифметические операции в системах счисления, а также содержит набор упражнений для закрепления навыков работы в различных системах счисления.
Данное пособие предназначено для использования студентами при подготовке по теме «Кодирование информации. Представление числовой информации в ЭВМ. Системы счисления», а также для самостоятельного изучения данной темы
Системы счисления
Для записи информации о количестве объектов используются числа. Числа записываются с использованием особых знаковых систем, которые называются системами счисления.
Алфавит систем счисления состоит из символов, которые называются цифрами.
Например, в десятичной системе счисления числа записываются с помощью десяти всем хорошо известных цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Система счисления — это знаковая система, в которой числа записываются по определенным правилам с помощью символов некоторого алфавита, называемых цифрами.
Все системы счисления делятся на две большие группы: позиционные и непозиционные системы счисления. В позиционных системах счисления значение цифры зависит от ее положения в числе, а в непозиционных — не зависит.
Римская непозиционная система счисления
Самой распространенной из непозиционных систем счисления является римская.
В качестве цифр в ней используются:
I (1), V(5), X(10), L (50), С (100), D (500), М (1000).
Значение цифры не зависит от ее положения в числе.
Например, в числе XXX (30) цифра X встречается трижды и в каждом случае обозначает одну и ту же величину - число 10, три числа по 10 в сумме дают 30.
Величина числа в римской системе счисления определяется как сумма или разность цифр в числе. Если меньшая цифра стоит слева от большей, то она вычитается, если справа - прибавляется. Например, запись десятичного числа 1998 в римской системе счисления будет выглядеть следующим образом:
MCMXCVIII = 1000 + (1000 - 100) + (100 -10) +5 + 1 + 1 + 1
Позиционные системы счисления
Первая позиционная система счисления была придумана еще в Древнем Вавилоне, причем вавилонская нумерация была шестидесятеричной, то есть в ней использовалось шестьдесят цифр! Интересно, что до сих пор при измерении времени мы используем основание, равное 60 (в 1 минуте содержится 60 секунд, а в 1 часе — 60 минут).
В XIX веке довольно широкое распространение получила двенадцатеричная система счисления. До сих пор мы часто употребляем дюжину (число 12): в сутках две дюжины часов, круг содержит тридцать дюжин градусов и так далее.
В позиционных системах счисления количественное значение цифры зависит от ее позиции в числе.
Наиболее распространенными в настоящее время позиционными системами счисления являются десятичная, двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная.
Каждая позиционная система имеет определенный алфавит цифр и основание.
Система счисления | Основание | Алфавит цифр |
Десятичная | 10 | 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 |
Двоичная | 2 | 0,1 |
Восьмеричная | 8 | 0,1,2,3,4,5,6.7 |
Шестнадцатеричная | 16 | 0, 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, A(10), B(11), C(12), D(13), E(14), F(15) |
Десятичная система счисления.
Рассмотрим в качестве примера десятичное число 555. Цифра 5 встречается трижды, причем самая правая цифра 5 обозначает пять единиц, вторая справа — пять десятков и, наконец, третья справа — пять сотен.
Позиция цифры в числе называется разрядом. Разряд числа возрастает справа налево, от младших разрядов к старшим. В десятичной системе цифра, находящаяся в крайней справа позиции (разряде), обозначает количество единиц, цифра, смещенная на одну позицию влево, — количество десятков, еще левее — сотен, затем тысяч и так далее. Соответственно имеем разряд единиц, разряд десятков и так далее.
Число 555 записано в привычной для нас свернутой форме. Мы настолько привыкли к такой форме записи, что уже не замечаем, как в уме умножаем цифры числа на различные степени числа 10.
В развернутой форме записи числа такое умножение записывается в явной форме. Так, в развернутой форме запись числа 555 в десятичной системе будет выглядеть следующим образом:
55510 = 5·102 + 5·101 + 5·10°.
Как видно из примера, число в позиционной системе счисления записывается в виде суммы числового ряда степеней основания (в данном случае 10), в качестве коэффициентов которых выступают цифры данного числа.
Для записи десятичных дробей используются отрицательные значения степеней основания. Например, число 555,55 в развернутой форме записывается следующим образом:
555,5510 = 5·10-2 + 5·10-1 + 5·10°+ 5·101 + 5·102.
В общем случае в десятичной системе счисления запись числа А10, которое содержит n целых разрядов числа и m дробных разрядов числа, выглядит так:
A10 = an-1·10n-1 + … + a0 ·100 + a-1·10-1 +…+ a-m·10-m
Коэффициенты ai в этой записи являются цифрами десятичного числа, которое в свернутой форме записывается так:
A10 = a n-1 a n-2 … a 0 , a – 1 … a –m
Двоичная система счисления
В двоичной системе счисления основание равно 2, а алфавит состоит из двух цифр (0 и 1). Следовательно, числа в двоичной системе в развернутой форме записываются в виде суммы степеней основания 2 с коэффициентами, в качестве которых выступают цифры 0 или 1.
Например, развернутая запись двоичного числа может выглядеть так:
А2 = 1·22 + 0·21 + 1·2° + 0·2-1 + 1·2-2
Свернутая форма этого же числа: А2 = 101,012 .
В общем случае в двоичной системе запись числа А2, которое содержит п целых разрядов числа и т дробных разрядов числа, выглядит так:
A2 = a n-1· 2 n-1 + a n-2 · 2 n-2 + … + a 0 · 2 0 +
a –1 · 2 –1 + … + a -m · 2 -m
Коэффициенты ai в этой записи являются цифрами (0 или 1) двоичного числа, которое в свернутой форме записывается так:
A 2 = a n-1 a n-2 … a 0 , a –1 a –2 …a –m
Из вышеприведенных формул видно, что умножение или деление двоичного числа на 2 (величину основания) приводит к перемещению запятой, отделяющей целую часть от дробной на один разряд соответственно вправо или влево.
Позиционные системы счисления с произвольным основанием
Возможно использование множества позиционных систем счисления, основание которых равно или больше 2. В системах счисления с основанием q (q-ичная система счисления) числа в развернутой форме записываются в виде суммы степеней основания q с коэффициентами, в качестве которых выступают цифры 0, 1, q-1:
A q = a n-1 · q n-1 + a n-2 · q n-2 + … + a 0 · q 0 + a -1· q –1 + … + a –m · q -m
Коэффициенты ai в этой записи являются цифрами числа, записанного в q-ичной системе счисления.
Так, в восьмеричной системе основание равно восьми
(q= 8). Тогда записанное в свернутой форме восьмеричное число А8 = 673,28 в развернутой форме будет иметь вид:
А8 = 6·82 + 7·81 + 3·8° + 2·8-1.
В шестнадцатеричной системе основание равно шестнадцати (q=16), тогда записанное в свернутой форме шестнадцатеричное число А16 = 8A,F16 в развернутой форме будет иметь вид:
А16 = 8·161 + А·16° + F·16-1.
Если выразить шестнадцатеричные цифры через их десятичные значения (А=10, F=15), то запись числа примет вид:
А16 = 8·161 + 10·16° + 15·16-1.
Задания для самостоятельного выполнения
Какой числовой эквивалент имеет цифра 6 в десятичных числах:
789 3650 16 69?
Сравните числа VVV и 555.
Какие числа записаны римскими цифрами:
а) МСМXCIX; б) CMLXXXVIII; в) MCXLVII?
Какое из чисел 1100112, 1114, 358 и 1B16 является:
а) наибольшим; б) наименьшим.
Существует ли треугольник, длины сторон которого выражаются числами 128,
1116 и 110112?
«Несерьезные» вопросы:
Когда 2∙2=100?
Когда 6∙6=44?
Когда 4∙4=20?
Заполни таблицу:
Система счисления | Основание | Базис |
шестнадцатеричная | 16 | |
десятичная | | 0,1.2,3,4,5,6,7,8,9 |
| 8 | 0,1.2,3,4,5,6,7 |
| 2 | |
Запиши в развернутом виде числа:
а) А8 = 143511 г) А10 = 143,511
б) А2 = 100111 д) А8 = 0,143511
в) А16 = 143511 е) А16 = 1А3,5С1
Запиши в свернутой форме числа:
а) А16 =А ∙161 + 1 ∙160 + 7 ∙ 16-1 + 5 ∙ 16-2
б) А10 = 9 ∙ 101 + 1 ∙100 + 5 ∙ 10-1 + 3 ∙10-2
10.Во сколько раз увеличатся числа 10,110, 10,12, 64,58, 39,F16
при переносе запятой на один знак вправо?
11.При переносе запятой на два знака вправо число 11,11x
увеличилось в 4 раза. Чему равно x?
Перевод целых чисел в позиционных системах счисления
Перевод числа А в десятичную систему счисления
(210, 810,1610)
1. разложить число А по степеням основания системы (справа налево)
2. найти сумму получившегося многочлена
Пример:
а) 1102 = 0∙20 + 1∙21 + 1∙22 = 0 + 2 + 4 = 610
б) 1318 = 1 · 80 +3 · 81 + 1 · 82 = 1 + 24 + 64 = 8910
в) 4AF16 = 15 · 160 + 10 · 16 1 +4 · 16 2 = 15 + 160 + 1024=119910
Перевод числа А из десятичной системы счисления в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную систему счисления
(10 2, 10 8, 10 16)
1. Разделить число А на основание системы с остатком.
Значение остатка присваивается младшему разряду.
2. Полученное частное вновь разделить на основание
системы.
Остаток от деления равен значению следующего разряда.
3. Повторить п.2 до тех пор, пока частное не станет меньше основания системы .
Частное от последнего деления равно значению старшего
разряда, остаток – второму по старшинству разряду.
Пример 1: 2710= ?2 Пример 2: 5310 = ?8
27: 2 = 13 + (1) 95 : 8 = 11 + (7)
13:2 = 6 + (1) 11 : 8 = + (3)
6:2 = 3 + (0)
3:2 = + + (1) 5310 = 1378
2710 =11011 2
Пример 3: 45310 = ?16
453 : 16 = 28 + (5)
28 : 16 = + (7)
45310 = 175 16
Задания для самостоятельного выполнения
1. Переведите в десятичную систему счисления числа:
а)11112 б) 10101012
в) 228 г) 1578
д) 1A16 е) BF16
2. Выпишите целые десятичные числа, принадлежащие следующим числовым промежуткам:
а) [1011012; 1100002];
б) [148; 208]; в) [2816; 3016].
3. Приведите целые числа из десятичной системы счисления в двоичную:
а) 513; в) 600; д) 602; ж) 1000;
б) 2304; г) 5001; е) 7000; з) 8192.
4. Переведите целые числа из десятичной системы счисления в восьмеричную систему счисления:
а)8700; б) 8888; в) 8900; г) 9300;
5. Переведите целые числа из десятичной системы счисления в шестнадцатеричную систему счисления:
а) 266; б)1023; в)1280; г) 2041.
6. Заполните таблицу, в каждой строке которой одно и то же число должно быть записано в системах счисления с основанием 2, 8, 10, 16.
Основание 2 | Основание 8 | Основание 10 | Основание 16 |
101010 | | | |
| 127 | | |
| | 321 | |
| | | 2А |
Перевод дробных чисел из одной системы счисления в другую
Алгоритм перевода чисел 10→ 2, 10 → 8, 10 → 16
Последовательно умножать данное число на основание системы до тех пор, пока дробная часть произведения не станет равной 0 или будет достигнута требуемая точность представления числа.
Полученные целые части произведений, являющиеся цифрами числа в новой системе счисления, привести в соответствие с алфавитом новой системы счисления.
Составить дробную часть числа в новой системе счисления, начиная с целой части первого произведения.
Пример 1: 29,62510 = ?2
1 шаг: 2910 = ?2 2 шаг: 0,62510 = ?2
29 : 2 = 14 + (1) 0,625 ∙ 2 = 250
14 : 2 = 7 + (0) 0,250 ∙ 2 = 5
7 : 2 = 3 + (1) 0, 5 ∙ 2 = 0
3 : 2 = + (1)
2910 = 111012 0,62510 = 0,1012
Итак, окончательный результат: 29,62510 = 11101,1012
Пример 2: 0,32510 = ? 2 0,32510 = ?16
0,325 ∙ 2 = 0, 650 0,325 ∙ 16 = 5, 2
0,650 ∙ 2 = 1, 30 0,2 ∙ 16 = 3, 2
0,3 ∙ 2 = 0, 6 0,2 ∙ 16 = 3, 2
0,6 ∙ 2 = 1, 2
0,2 ∙ 2 = 0, 4 0,32510 = 0,5(3)16
0,4 ∙ 2 = 0, 8
0,8 ∙ 2 = 1, 6
0,6 ∙ 2 = 1, 2
……………
0,32510 = 0,010(1001)2
Алгоритм перевода дробных чисел
2→ 10, 8 → 10, 16 → 10
1. Разложить число А по степеням основания
2. Вычислить сумму получившегося многочлена
Пример:
а) 10101,1012 = 1 ∙ 24 + 1 ∙ 23 + 1 ∙ 20 + 1 ∙ 2-1 + 1 ∙ 2-3 = 16 + 4 +
1 + = 21 = 21,62510
б) 174,28 = 1 · 82 + 7 ·81 + 4 ·80 + 2 · 8-1 = 64 + 56 + 4 + 0,25 =
= 124,2510
Перевод чисел из системы счисления с основанием 2 в систему счисления с основанием 2n и обратно
(28 , 216 и обратно)
Перевод целых чисел
ТЕОРЕМА 1. Для записи любого целого двоичного числа
в системе счисления с основанием q = 2n
28 достаточно данное двоичное число разбить на
216 грани справа налево (т.е. от младших
разрядов к старшим) по n цифр в каждой
грани. Затем каждую такую грань следует
рассмотреть как n-разрядное двоичное число
и записать его как цифру в системе с
основанием q=2n.
Пример 1:
а) 101100001000110010 2 =?8
q= 23 n = 3
по т.1 разбиваем число на грани по 3 цифры в каждой грани:
101 100 001 000 110 010 2 = 5410628
б) 10000000001111100001112 = ?16
q = 24 n = 4
по т.1 разбиваем число на грани по 4 цифры в каждой грани:
0010 0000 0000 1111 1000 01112 = 200F8716
Перевод дробных чисел
Для того, чтобы дробное число записать в системе счисления с основанием q = 2n, нужно:
Двоичное число разбить на грани слева направо по n цифр в каждой.
Если в последней правой грани окажется меньше n разрядов, то её надо дополнить справа нулями до нужного числа разрядов.
Рассмотреть каждую такую грань как n-разрядное двоичное число и записать её соответствующей цифрой в системе счисления с основанием q = 2n.
Пример 1: 0, 101100012 =?8
000, 101 100 0102 = 0,5428
Перевод произвольных чисел
Для того, чтобы произвольное двоичное число записать в системе счисления с основанием q = 2n, нужно:
Целую часть двоичного числа разбить справа налево, а дробную часть - слева направо на грани по n цифр в каждой грани.
Если в последних левой и/или правой гранях окажется меньше n разрядов, то их надо дополнить слева и/или справа нулями до нужного числа разрядов.
Рассмотреть каждую такую грань как n-разрядное двоичное число и записать её соответствующей цифрой в системе счисления с основанием q = 2n.
Пример:
а)111100101,01112 = ?8
111 100 101, 011 1002 = 745,348
б) 11101001000,110100102 = ?16
0111 0100 1000, 1101 00102 =748,D216
ТЕОРЕМА 2. Для записи целого числа, записанного в
системе счисления с основанием p=2n
82 равным ему числом в двоичной системе
162 достаточно каждую цифру данного числа
заменить n - разрядным двоичным числом.
Пример: а) 3567 8=? 2
p= 3
а) 3567 8 = 011 101 110 1112
б) 4AC3516 = ?2
p = 4
б) 4AC3516 = 100 1010 1100 0011 01012
Задание для самостоятельного выполнения
1. Переведите десятичные дроби в двоичную систему счисления
(ответ записать с шестью двоичными знаками):
а) 0,4622; в) 0,5198; д) 0,5803; ж) 0,6124;
б) 0,7351; г) 0,7982; е) 0,8544; з) 0,9321.
Переведите смешанные десятичные числа в двоичную систему счисления:
а) 40,5; б) 31,75; в) 124,25; г) 125,125.
Переведите числа из десятичной системы счисления в восьмеричную:
а) 0,43; б) 37,41; в) 2936; г) 481,625.
Переведите числа из десятичной системы счисления в
шестнадцатеричную:
а)0,17; б) 43,78; в) 25,25; г) 18,5
Переведите двоичные числа в восьмеричную систему
счисления:
а) 1010001001011 в)1011001101111 д) 110001000100
б) 1010,00100101 г)1110,01010001 е) 1000,1111001
Переведите восьмеричные и шестнадцатеричные числа в
двоичную систему счисления:
а) 2668; в) 12708; д) 10,238;
б) 26616; г) 2а1916; е) 10,2316.
Осуществите перевод чисел по схеме
А10 →А16→А2→А8:
а) 16547; в) 8512; д) 5043;
б) 21589; г) 7756; е) 2323.
Перевести числа из восьмеричной системы счисления в шестнадцатеричную:
а) 12754; б) 1515; в) 7403.
Перевести числа из шестнадцатеричной системы счисления в восьмеричную:
а) 1АЕ2; б) 1С1С; в) 34Е.
Сколько разрядов будет в числе, если записать его в восьмеричную систему cчисления:
а) 101110102; в) А18С16;
б) 110011110001112; г) 1375ВЕ16.
Сколько разрядов будет в числе, если записать его в шестнадцатеричной системе
счисления.
а) 101110102; в) 777318;
б) 110011110001112; г) 1011548.
Сравните числа :
а) 12516 и 1111000101012; г) 12,2516 и 111,1000101012;
б) 7578 и 11100101012; д) 63,57518 и 11100,101012;
в) А2316 и 12328; е) В,А16 и 11,38.
Арифметические операции в позиционных
системах счисления
Арифметические операции во всех позиционных системах счисления выполняются по одним и тем же правилам.
Рассмотрим подробно каждую операцию.
Сложение
Таблица двоичного сложения предельно проста. Только в одном случае, когда производится сложение 1+1, происходит перенос в старший разряд.
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 0 = 1
1 + 1 = 10
Пример 1. Рассмотрим пример сложения двоичных чисел.
110
11
1001
Проверим правильность вычислений сложением в десятичной системе сложения. Переведём двоичные числа в десятичную систему и затем их сложим:
1102 = 1 · 22 + 1· 21 + 0· 20 = 610
112 = 1 · 21 + 1· 20 = 310
610 + 310 = 910
Теперь переведём результат двоичного сложения в десятичное число:
10012 = 1· 23 + 0· 22 + 0· 21 + 1· 20 = 910
Сравним результаты – сложение выполнено правильно.
Вычитание
При выполнении операции вычитания всегда из большего по абсолютной величине числа вычитается меньшее и ставится соответствующий знак. В таблице вычитания 1 с чертой означает заём в старшем разряде.
0 – 0 = _0
0 – 1 = 11
1 – 0 = 1
1 – 1 = 0
Пример. Рассмотрим несколько примеров вычитания двоичных чисел:
а) 110 – 11 = 11
б) 10111001,1 –10001101,1 =101100,0
в) 101011111- 110101101 = -1001110
а) 110 б) 10111001,1 в) 110110101
11 10001101,1 101011111
11 00101100,0 001010110
Умножение
Операция умножения выполняется с использованием таблицы умножения по обычной схеме, применяемой в десятичной системе счисле6ния с последовательным умножением множимого на очередную цифру множителя.
0 · 0 = 0
0 · 1 = 0
1 · 0 = 0
1 · 1 = 1
Пример Рассмотрим несколько примеров умножения двоичных чисел:
а) 110 · 11 =10010
б) 11001 ∙ 1101 = 101000101
в) 10101,01 ∙ 11,01 = 1010010,0001
а) 110 б) 11001 в) 11001,01
11 1101 11,01
110 11001 1100101
110 11001 1100101
10010 11001 1100101
101000101 1010010,0001
Умножение сводится к сдвигам множимого и сложениям.
Деление
Операция деления выполняется по алгоритму, подобному алгоритму выполнения операции деления в десятичной системе счисления.
Пример
а) 101000101:1101=11001
101000101 1101
1101
1110
1101
1101
1101
0
б) 110 : 11 = 10
11
11 10
0
* Сложение в восьмеричной и шестнадцатеричной системах счисления выполняется аналогично. Необходимо помнить, что величина переноса в следующий разряд при сложении и заём из старшего разряда при вычитании определяется величиной основания системы счисления.
+ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 10 |
2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 10 | 11 |
3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 10 | 11 | 12 |
4 | 5 | 6 | 7 | 10 | 11 | 12 | 13 |
5 | 6 | 7 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
6 | 7 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
7 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
Пример:
378 9C16
258 7816
64 8 2416
Задания для самостоятельного выполнения
Выполни действия над двоичными числами:
а) 10110010 + 1110001 г) 1111000,0001 - 11110,1101
б) 11100111 + 100011 д) 101011,1101 - 1101,0011
в) 100110101 + 11101 е) 101011,1101 – 1100,01
2. Выполните операцию деления над двоичными числам:
a) 1110:11 д) 111010001001:111101
б) 1000:10 е) 11111100101:101011
в) 1111:11 ж) 100011011100:110110
3.Расставьте знаки арифметических операций так, чтобы
были верны следующие равенства в двоичной системе:
a) 1100 ? 11 ?100=100000;
б) 1100 ? 10 ? 10=100;
в) 1100 ? 0 ? 10=110000;
г) 1100 ? 10 ? 10=1011;
д) 1100 ? 11 ? 100=0.
4. Какое число следует за каждым данных:
а) 1012; в) AF16;
б) 6778; г) 1010.
Ответ для каждого числа запишите в указанной и десятичной
системах счисления.
5.. Выпишите числа, принадлежащие следующим числовым
промежуткам:
а) [1011012; 1100002] в двоичной системе;
б) [148; 208] в восьмеричной системе;
в) [2816; 3016] в шестнадцатеричной системе;
6. Какое число предшествует каждому из данных:
a) 1102; в) 9A16; б) 568; г) 1010
Ответ для каждого числа запишите в указанной и десятичной
системах счисления.
7. Вычислите выражения:
а) (11111012+АF16)/368;
б) 1258+111012·А216-14178.
8. Найдите среднее арифметическое следующих чисел:
а) 100101102,11001002 и 1100102;
б) 2268, 6416, и 628.
9.Сумму восьмеричных чисел
178 + 17008 + 1700008 + 170000008 + 17000000008
перевели в шестнадцатеричную систему счисления. Найдите в записи числа, равного этой сумме, пятую цифру слева.
10.Найдите суммы следующих чисел в восьмеричной системе:
а) 668 + 438; б) 5158 + 3248.
11. Восстановите неизвестные цифры, обозначенные знаком
вопроса, в следующих примерах на сложение и вычитание,
определив вначале, в какой системе изображены числа.
а) 5?55 б) 1536
?327 ?42
?16?4 67?
Приложение 1
Связь между системами счисления
10 ая с.с | 2 ая с.с | 8 ая с.с. | 16 ая с.с. |
0 | 0 | 0 | 0 |
1 | 1 | 1 | 1 |
2 | 10 | 2 | 2 |
3 | 11 | 3 | 3 |
4 | 100 | 4 | 4 |
5 | 101 | 5 | 5 |
6 | 110 | 6 | 6 |
7 | 111 | 7 | 7 |
8 | 1000 | 10 | 8 |
9 | 1001 | 11 | 9 |
10 | 1010 | 12 | A |
11 | 1011 | 13 | B |
12 | 1100 | 14 | C |
13 | 1101 | 15 | D |
14 | 1110 | 16 | E |
15 | 1111 | 17 | F |
23
2
-
+
22
3
-
+
21
4
11001
-
-
+
+
+
*
*
*
-
-
20
5
-
-
-
19
6
+
18
7
17
8
16
9
15
10
14
11
13
12