Μετάβαση στο περιεχόμενο
Topos Uranos

Περίληψη

Αυτό το μάθημα μελετά το θεσιακό σύστημα αρίθμησης, στο οποίο η αξία κάθε ψηφίου εξαρτάται από τη θέση που κατέχει. Αποδεικνύει ότι κάθε φυσικός αριθμός γράφεται με έναν μόνο τρόπο σε οποιαδήποτε βάση b≥2b \geq 2, με μια διαδικασία που συνίσταται σε διαδοχικές διαιρέσεις με τη βάση, και διδάσκει πώς μετατρέπονται αριθμοί ανάμεσα στη βάση 1010 και στις βάσεις 22, 88 και 1616, και ανάμεσα σε αυτές τις τελευταίες με ομαδοποίηση δυαδικών ψηφίων. Δείχνει ότι η πρόσθεση και ο πολλαπλασιασμός γίνονται σε οποιαδήποτε βάση με τους ίδιους κανόνες όπως στη βάση 1010, εξηγεί γιατί ισχύουν τα κριτήρια διαιρετότητας και τα επεκτείνει σε άλλες βάσεις, και κλείνει με ένα σημείωμα για την ιστορία της αρίθμησης και για τη χρήση της βάσης 22 στους υπολογιστές.

Μαθησιακοί στόχοι

  1. Να ερμηνεύει τη θεσιακή γραφή και να υπολογίζει την τιμή ενός αριθμού γραμμένου σε οποιαδήποτε βάση.
  2. Να αποδεικνύει την ύπαρξη και τη μοναδικότητα της αναπαράστασης στη βάση bb και να τη βρίσκει με διαδοχικές διαιρέσεις.
  3. Να μετατρέπει αριθμούς ανάμεσα στις βάσεις 22, 88, 1010 και 1616, και να προσθέτει και να πολλαπλασιάζει στη βάση 22.
  4. Να αιτιολογεί τα κριτήρια διαιρετότητας με το b−1b - 1 και με το b+1b + 1 στη βάση bb, και να τα εφαρμόζει στη βάση 1010 και σε άλλες βάσεις.

Η θεσιακή γραφή

Όταν γράφουμε 20252025, δεν προσθέτουμε τέσσερα ψηφία· καθένα πολλαπλασιάζεται με μια δύναμη του 1010 που εξαρτάται από τη θέση του: το πρώτο 22 αξίζει δύο χιλιάδες· το δεύτερο, δύο δεκάδες. Το ψηφίο 00 δείχνει ότι δεν υπάρχουν εκατοντάδες και, καταλαμβάνοντας τη θέση του, κρατά τα υπόλοιπα ψηφία στη θέση που τους αντιστοιχεί.

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

Αυτή η αρχή, που ονομάζεται θεσιακό σύστημα αρίθμησης, δεν εξαρτάται από τον αριθμό 1010. Αν b≥2b \geq 2 είναι ένας φυσικός, που ονομάζεται βάση, τα ψηφία στη βάση bb είναι οι αριθμοί 0,1,…,b−10, 1, \ldots, b - 1, και μια ακολουθία ψηφίων ak,ak−1,…,a1,a0a_k, a_{k-1}, \ldots, a_1, a_0, με ak≠0a_k \neq 0, αναπαριστά τον αριθμό

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

Τα ψηφία γράφονται το ένα δίπλα στο άλλο, από τα αριστερά προς τα δεξιά, και η βάση σημειώνεται ως δείκτης: για παράδειγμα, ο 341253412_5 είναι ο αριθμός που στη βάση 55 γράφεται με τα ψηφία 33, 44, 11 και 22, και διαβάζεται «34123412 στη βάση 55». Λέμε ότι το aia_i κατέχει τη θέση ii, μετρώντας από τα δεξιά και αρχίζοντας από το 00. Χωρίς δείκτη, ένας αριθμός είναι γραμμένος στη βάση 1010. Στη βάση 22 υπάρχουν μόνο δύο ψηφία, το 00 και το 11, που ονομάζονται μπιτ· στη βάση 1616 χρειάζονται δεκαέξι, και στα δέκα συνήθη ψηφία προστίθενται τα γράμματα A, B, C, D, E και F, που αξίζουν 1010, 1111, 1212, 1313, 1414 και 1515.

Όμως, η τιμή ενός αριθμού γραμμένου στη βάση bb μπορεί να υπολογιστεί βγάζοντας το bb κοινό παράγοντα ξανά και ξανά, πράγμα που αποφεύγει τον υπολογισμό δυνάμεων: είναι ο κανόνας του Χόρνερ.

ΛήμμαΚανόνας του Χόρνερ

Για κάθε kk και για όλους τους αριθμούς a0,a1,…,aka_0, a_1, \ldots, a_k, το άθροισμα των γινομένων aibia_i b^i προκύπτει αν ξεκινήσουμε από το aka_k και επαναλάβουμε kk φορές την πράξη: πολλαπλασιασμός με το bb και πρόσθεση του επόμενου συντελεστή.

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

Η απόδειξη είναι μια επαγωγή ως προς kk που χρησιμοποιεί μόνο την επιμεριστική ιδιότητα. Η παράσταση είναι η τιμή για x=bx = b του πολυωνύμου akxk+⋯+a1x+a0a_k x^k + \cdots + a_1 x + a_0, και το μάθημα για την άλγεβρα των πολυωνύμων θα επανέλθει σε αυτήν.

Απόδειξη

  1. a0=a0a_0 = a_0

    Αρχικό βήμα: για k=0k = 0, και τα δύο μέλη ανάγονται στο a0a_0, επειδή ο κανόνας δεν κάνει καμία πράξη.

  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}

    Επαγωγική υπόθεση: ο κανόνας ισχύει για κάθε άθροισμα k+1k + 1 όρων, με οποιουσδήποτε συντελεστές, που φτάνει έως τη δύναμη 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

    Έστω ένα άθροισμα που φτάνει έως το bk+1b^{k+1}. Από την επιμεριστική ιδιότητα, βγάζουμε το bb κοινό παράγοντα από όλους τους όρους εκτός από τον τελευταίο.

  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

    Η παρένθεση έχει τη μορφή της επαγωγικής υπόθεσης, με συντελεστές ci=ai+1c_i = a_{i+1}· γράφεται με τον κανόνα, και πολλαπλασιάζοντάς την με bb και προσθέτοντας a0a_0 προκύπτει ο κανόνας για k+1k + 1. Από την αρχή της επαγωγής, ισχύει για κάθε kk.

ΠαράδειγμαΗ τιμή ενός αριθμού γραμμένου στη βάση 5

Να υπολογιστεί ο αριθμός που στη βάση 55 γράφεται 341253412_5, με δύο τρόπους: προσθέτοντας τις αξίες των θέσεων και με τον κανόνα του Χόρνερ.

Απόδειξη

  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}

    Κάθε ψηφίο πολλαπλασιάζεται με τη δύναμη του 55 που αντιστοιχεί στη θέση του: 535^3, 525^2, 55 και 11.

  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}

    Υπολογίζουμε τις δυνάμεις και τα γινόμενα και προσθέτουμε.

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

    Με τον κανόνα του Χόρνερ βγάζουμε το 55 κοινό παράγοντα από τους τρεις πρώτους όρους, και έπειτα από τους δύο πρώτους της παρένθεσης.

  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}

    Ο υπολογισμός γίνεται από μέσα προς τα έξω: κάθε αποτέλεσμα πολλαπλασιάζεται με τη βάση και του προστίθεται το επόμενο ψηφίο. Προκύπτει η ίδια τιμή, χωρίς καμία δύναμη.