Операции над двоичными числами

Каждому с детства привычен способ записи чисел в десятичной системе. Эта система называется позиционной десятичной, потому что натуральное число представляется словом в алфавите из десяти

арабских цифр , причем знаки числа изображают

различные его составляющие в зависимости от разряда - позиции в числе и служат коэффициентами при степенях 10. Например,

48087 = 40000 + 8000 + 80 + 7 = 4-Ю⁴+8-10³+0-10²+8-10'+7-10°, и цифра 8 во втором разряде изображает число 80, а та же цифра в четвертом разряде - число 8000. Позиционная система исторически

вытеснила другие способы представления чисел благодаря удобствам использования, главным образом, из-за достаточно простых алгоритмов арифметических действий над многозначными числами, которые сводятся к действиям над однозначными числами. При этом используются таблица сложения, т.е. правила типа 3+6=9, 4+8=12 и т.п., общеизвестная таблица умножения и - при сложении и умножении столбиком - правила переноса десятков в старшие разряды ("шестью девять - пятьдесят четыре; четыре пишем, пять в уме"). Отметим, что при сложении столбиком справа налево двух слагаемых каждый очередной знак суммы определяется знаками слагаемых в этом разряде с учетом знака переноса (0, если сумма не превышает 9, или 1, если сумма

двузначная). При умножении многозначных чисел Ах В столбиком каждое умножение А на однозначное число, каким является очередной

разряд числа В, также сопровождается переносом числа десятков в следующий разряд. Далее следует сложение нескольких многозначных чисел, записываемых со сдвигом. При сложении большого количества чисел может возникать накопление знаков переноса. Важно заметить, что как при сложении, так и при умножении каждый знак результата зависит от знаков слагаемых/сомножителей, находящихся в том же разряде и правее, и не зависит от старших разрядов (находящихся левее). Так, младший разряд результата является функцией двух однозначных чисел - младших разрядов слагаемых/сомножителей. Второй справа разряд есть функция 4 однозначных переменных - знаков двух младших разрядов слагаемых/сомножителей и т.д.

Таким же образом, только много проще, устроена двоичная система счисления. Числа представляются словами в алфавите

и, например, =

(подстрочные индексы 2 и 10

обозначают, что одно число записано в двоичной, а другое - в десятичной системе). Вот двоичные представления нескольких первых натуральных чисел (в левом столбце - десятичные; в правом -двоичные):

Подобно тому, как в десятичной системе счисления целые степени основания системы 10 записываются единицей с нулями, а число на 1

меньшее - 99...9, в двоичной системе число нулями изображает

число , а число 11...1 из k единиц равно

Таблица сложения для двоичных чисел чрезвычайно проста: 0 + 0 = 0; 0+1 = 1+0=1; 1 + 1 = 10. Таблица умножения еще проще:

0x0 = 0x1 = 1x0-0; 1x1 = 1.

Их можно представить и таблицами с двумя входами:

Отсюда - простота действий над многозначными числами, хотя двоичная запись числа длиннее десятичной более, чем втрое. Предыдущий пример демонстрирует перевод двоичного числа в десятичное. Для этого, так же как и для обратного перехода полезно знать значения целых степеней числа 2: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 и т.д. Например, 179 = 128 + 51 = 2⁷ +32 +19 = = 2⁷ + 2⁵ + 16 + 3 = 2⁷ + 2⁵ + 2⁴ + 2 + 1 поэтому двоичная запись числа 179 - 10110011 (слагаемые 2⁶,2³,2² входят в сумму 179 с коэффициентом 0, остальные степени 2-е коэффициентом 1). Ниже -примеры арифметических действий над двоичными числами (параллельно приведены действия с теми же числами в десятичной записи).

Как видим, сложение, вычитание и умножение многозначных двоичных чисел производится так же, как и для десятичных, в частности, в обеих системах k -и знак результата арифметических действий зависит от знаков слагаемых/сомножителей и знаков младших разрядов.

Однако накопление знаков переноса при сложении возникает здесь значительно чаще: каждые две единицы дают перенос одной единицы в следующий - старший - разряд, сложение четырех единиц дает две единицы переноса, т.е. перенос одной единицы на два разряда влево.

Деление двоичных чисел "столбиком" также намного проще, чем в десятичной системе, поскольку не приходится подбирать очередной знак [

частного, остаток не должен быть меньше делителя, - в этом случае знак частного 1; в противном случае, как и для десятичных чисел он равен 0, и нужно приписать к остатку (снести) очередной разряд делимого.

Рассмотрим последовательность всех двоичных наборов длины

п в лексикографическом порядке. Если их прочитать как двоичные числа, игнорируя начальные нули, то это будет начальный отрезок

натурального ряда от 0 до . Для любого сумма k -го от

начала числа от конца равна одному и тому же числу

i , которое в двоичной записи^состоит из п единиц. При вычитании

из двоичного числа любого меньшего числа не требуется

заимствования единиц из старших разрядов (подобно вычитанию из числа 99...9 в десятичной системе), и единице в вычитаемом соответствует ноль в разности, и наоборот, нулю в вычитаемом отвечает

единица в разности. Поэтому двоичные знаки числа противоположны

соответствующим знакам числа Другими словами, таблица

антисимметрична относительно своей середины.

Таблица , строки которой суть наборы из 0 и 1 длины п, может быть построена по индуктивному правилу:

1) таблица - это столбец из двух однозначных чисел 0 и 1;

2) таблица получается из двух экземпляров таблицы : к

первому из них присоединяется слева столбец из нулей, а ко

второму - столбец из единиц. Расположенные одна под другой,

обе таблицы образуют таблицу строк.