انتقل إلى المحتوى
Topos Uranos

ملخص

يدرس هذا الدرس الترقيم الموضعي، الذي تتوقف فيه قيمة كل رقم على المنزلة التي يشغلها. ويبرهن أن كل عدد طبيعي يُكتب بطريقة وحيدة في أي أساس b≥2b \geq 2، بإجراء يقوم على القسمة المتكررة على الأساس، ويعلّم كيف تُحوَّل الأعداد بين الأساس 1010 والأسس 22 و88 و1616، وبين هذه الأسس الثلاثة الأخيرة بتجميع الأرقام الثنائية. ويبيّن أن الجمع والضرب يُحسبان في أي أساس بالقواعد نفسها التي في الأساس 1010، ويشرح لماذا تصح قواعد قابلية القسمة ويعمّمها على أسس أخرى، ويُختم بملاحظة عن تاريخ الترقيم وعن استعمال الأساس 22 في الحواسيب.

أهداف التعلم

  1. فهم الترقيم الموضعي وحساب قيمة عدد مكتوب في أي أساس.
  2. البرهان على وجود الكتابة في الأساس bb ووحدانيتها، والحصول عليها بقسمات متتالية.
  3. تحويل الأعداد بين الأسس 22 و88 و1010 و1616، والجمع والضرب في الأساس 22.
  4. تعليل قاعدتي قابلية القسمة على b−1b - 1 وعلى b+1b + 1 في الأساس bb، وتطبيقهما في الأساس 1010 وفي أسس أخرى.

الترقيم الموضعي

عند كتابة 20252025 لا نجمع أربعة أرقام، بل يُضرب كل رقم في قوة لـ1010 تتوقف على منزلته: الرقم 22 الأول قيمته ألفان؛ والثاني، عشرتان. ويدل الرقم 00 على أنه لا توجد مئات، وهو بشغله منزلته يُبقي الأرقام الأخرى في المنازل التي تخصها.

2025=2⋅103+0⋅102+2⋅10+52025 = 2 \cdot 10^3 + 0 \cdot 10^2 + 2 \cdot 10 + 5

هذا المبدأ، المسمى الترقيم الموضعي، لا يتوقف على العدد 1010. إذا كان b≥2b \geq 2 عددًا طبيعيًا، يسمى الأساس، فإن الأرقام في الأساس bb هي الأعداد 0,1,…,b−10, 1, \ldots, b - 1، ومتتالية من الأرقام ak,ak−1,…,a1,a0a_k, a_{k-1}, \ldots, a_1, a_0، مع ak≠0a_k \neq 0، تمثّل العدد

n=akbk+ak−1bk−1+⋯+a1b+a0n = a_k b^k + a_{k-1} b^{k-1} + \cdots + a_1 b + a_0

تُكتب الأرقام متجاورة، من اليسار إلى اليمين، ويُشار إلى الأساس بدليل سفلي: مثلًا، 341253412_5 هو العدد الذي يُكتب في الأساس 55 بالأرقام 33 و44 و11 و22، ويُقرأ «34123412 في الأساس 55». ونقول إن aia_i يشغل المنزلة ii، مع عدّ المنازل من اليمين بدءًا من 00. والعدد الذي لا دليل سفليًا له مكتوب في الأساس 1010. وفي الأساس 22 لا يوجد إلا رقمان، 00 و11، ويسميان بتّين؛ وفي الأساس 1616 تلزم ستة عشر رقمًا، فتضاف إلى الأرقام العشرة المعتادة الحروف A وB وC وD وE وF، وقيمها 1010 و1111 و1212 و1313 و1414 و1515.

غير أن قيمة عدد مكتوب في الأساس bb يمكن حسابها بإخراج bb عاملًا مشتركًا مرة بعد مرة، مما يغني عن حساب القوى: تلك هي قاعدة هورنر.

توطئةقاعدة هورنر

من أجل كل kk ولكل الأعداد a0,a1,…,aka_0, a_1, \ldots, a_k، يُحصل على مجموع الجداءات aibia_i b^i بالانطلاق من aka_k وتكرار العملية الآتية kk مرة: الضرب في bb وإضافة المعامل الذي يليه.

akbk+ak−1bk−1+⋯+a1b+a0=(⋯((akb+ak−1)b+ak−2)⋯ )b+a0a_k b^k + a_{k-1} b^{k-1} + \cdots + a_1 b + a_0 = (\cdots((a_k b + a_{k-1}) b + a_{k-2}) \cdots) b + a_0

البرهان استقراء على kk لا يستعمل إلا خاصية التوزيع. والعبارة هي قيمة كثيرة الحدود عند x=bx = b، وهي akxk+⋯+a1x+a0a_k x^k + \cdots + a_1 x + a_0، وسيعود إليها الدرس الخاص بـجبر كثيرات الحدود.

البرهان

  1. a0=a0a_0 = a_0

    الخطوة الأولى: من أجل k=0k = 0، يؤول الطرفان كلاهما إلى a0a_0، لأن القاعدة لا تُجري أي عملية.

  2. ckbk+⋯+c1b+c0=(⋯(ckb+ck−1)⋯ )b+c0\dato{h}{c_k b^k + \cdots + c_1 b + c_0 = (\cdots(c_k b + c_{k-1}) \cdots) b + c_0}

    فرضية الاستقراء: تصح القاعدة لكل مجموع من k+1k + 1 حدًّا، بمعاملات كيفما كانت، يمتد حتى القوة bkb^k.

  3. ak+1bk+1+⋯+a1b+a0=(ak+1bk+⋯+a2b+a1) b+a0a_{k+1} b^{k+1} + \cdots + a_1 b + a_0 = \resaltar{(a_{k+1} b^k + \cdots + a_2 b + a_1)} \, b + a_0

    ليكن مجموع يمتد حتى bk+1b^{k+1}. بخاصية التوزيع، نُخرج bb عاملًا مشتركًا من كل الحدود ما عدا الأخير.

  4. ak+1bk+1+⋯+a1b+a0=((⋯(ak+1b+ak)⋯ )b+a1) b+a0a_{k+1} b^{k+1} + \cdots + a_1 b + a_0 = \resaltar{((\cdots(a_{k+1} b + a_k) \cdots) b + a_1)} \, b + a_0

    ما بين القوسين له شكل فرضية الاستقراء، بالمعاملات ci=ai+1c_i = a_{i+1}؛ فيُكتب بالقاعدة، وبضربه في bb وإضافة a0a_0 نحصل على القاعدة من أجل k+1k + 1. وبمبدأ الاستقراء، تصح من أجل كل kk.

مثالقيمة عدد مكتوب في الأساس 5

احسب العدد الذي يُكتب في الأساس 55 على الشكل 341253412_5، بطريقتين: بجمع قيم المنازل وبقاعدة هورنر.

البرهان

  1. 34125=3⋅53+4⋅52+1⋅5+23412_5 = \resaltar{3} \cdot 5^3 + \resaltar{4} \cdot 5^2 + \resaltar{1} \cdot 5 + \resaltar{2}

    يُضرب كل رقم في قوة 55 المقابلة لمنزلته: 535^3 و525^2 و55 و11.

  2. 3⋅125+4⋅25+1⋅5+2=375+100+5+2=4823 \cdot \resaltar{125} + 4 \cdot \resaltar{25} + 1 \cdot 5 + 2 = \resaltar{375} + \resaltar{100} + 5 + 2 = \dato{v}{482}

    نحسب القوى والجداءات، ثم نجمع.

  3. 34125=((3⋅5+4)⋅5+1)⋅5+23412_5 = \resaltar{((3 \cdot 5 + 4) \cdot 5 + 1)} \cdot 5 + 2

    بقاعدة هورنر نُخرج 55 عاملًا مشتركًا من الحدود الثلاثة الأولى، ثم من الحدين الأولين داخل القوسين.

  4. 3⋅5+4=19,19⋅5+1=96,96⋅5+2=482\resaltar{3 \cdot 5 + 4} = 19, \quad \resaltar{19 \cdot 5 + 1} = 96, \quad \resaltar{96 \cdot 5 + 2} = \resaltar{482}

    يجري الحساب من الداخل إلى الخارج: يُضرب كل ناتج في الأساس ويضاف إليه الرقم الذي يليه. فنحصل على القيمة نفسها، دون أي قوة.