Введение
Числовая цифра (часто сокращаемая просто до цифры) или numeral — это отдельный символ, используемый самостоятельно (например, "1") или в комбинациях (например, "15") для представления чисел в позиционной системе счисления. Название "цифра" происходит от латинского слова "digiti", означающего "пальцы", поскольку десять пальцев рук соответствуют десяти символам общепринятой десятичной системы счисления (основание 10), то есть десятичным цифрам. Для заданной системы счисления с целочисленным основанием количество необходимых различных цифр равно абсолютному значению этого основания. Например, десятичная система (основание 10) требует десять цифр (от 0 до 9), а двоичная система (основание 2) — две цифры (0 и 1).
A numerical digit (often shortened to just digit) or numeral is a single symbol used alone (such as "1") or in combinations (such as "15"), to represent numbers in a positional numeral system. The name "digit" comes from the fact that the ten digits (Latin digiti meaning fingers) of the hands correspond to the ten symbols of the common base 10 numeral system, i. e. the decimal (ancient Latin adjective decem meaning ten) digits. For a given numeral system with an integer base, the number of different digits required is given by the absolute value of the base. For example, the decimal system (base 10) requires ten digits (0 through to 9), whereas the binary system (base 2) requires two digits (0 and 1).
Обзор
В базовой цифровой системе число – это последовательность цифр, которая может быть любой длины. Каждая позиция в последовательности имеет разряд, а каждая цифра – своё значение. Значение числа вычисляется умножением каждой цифры в последовательности на разряд её позиции и суммированием полученных результатов.
Цифровые значения
Каждая цифра в системе счисления представляет собой целое число. Например, в десятичной системе цифра "1" представляет целое число один, а в шестнадцатеричной системе буква "A" представляет число десять. Позиционная система счисления имеет уникальную цифру для каждого целого числа от нуля до, но не включая, основания системы счисления. Таким образом, в позиционной десятичной системе числа от 0 до 9 могут быть представлены соответствующими цифрами от "0" до "9" в крайнем правом разряде "единиц". Число 12 можно представить цифрой "2" в разряде единиц и цифрой "1" в разряде "десятков", расположенной слева от "2", а число 312 можно представить тремя цифрами: "3" в разряде "сотен", "1" в разряде "десятков" и "2" в разряде "единиц".
В информатике
Бинарная (основание 2), восьмеричная (основание 8) и шестнадцатеричная (основание 16) системы, широко используемые в информатике, все следуют принципам индусско-арабской системы счисления. Бинарная система использует только цифры "0" и "1", в то время как восьмеричная система использует цифры от "0" до "7". Шестнадцатеричная система использует все цифры десятичной системы, а также буквы "A" – "F", представляющие числа от 10 до 15 соответственно. При использовании бинарной системы термин "бит(ы)" обычно используется как альтернатива "цифре(ам)", являясь смешением слов "binary digit" (двоичная цифра).
Необычные системы
Иногда использовались троичная и сбалансированная троичная системы. Обе являются системами с основанием 3. Сбалансированная троичная система примечательна тем, что использует цифры со значениями 1, 0 и –1. Оказалось, что сбалансированная троичная система обладает некоторыми полезными свойствами, и она применялась в экспериментальных советских компьютерах "Сетунь". Несколько авторов на протяжении последних 300 лет отмечали удобство позиционной записи, которое сводится к модифицированному десятичному представлению. Приводятся некоторые преимущества использования числовых цифр, представляющих отрицательные значения. В 1840 году Огюстен Луи Коши выступал за использование систем с знаком для представления чисел, а в 1928 году Флориан Кажори представил свою подборку ссылок об отрицательных числах. Концепция представления чисел с использованием знака также нашла применение в разработке компьютерной техники.
Цифры в математике
Несмотря на важную роль цифр в описании чисел, они относительно не важны для современной математики. Однако есть несколько важных математических концепций, которые используют представление числа в виде последовательности цифр.
Цифровые корни
Цифровой корень — это однозначное число, которое получается путем последовательного суммирования цифр числа, и так далее, пока не будет получено однозначное число.
Выбросить девяток
Выброс девяток — это процедура проверки арифметических вычислений, выполненных вручную. Обозначим через цифровой корень числа , как описано выше. Процедура выброса девяток основана на том, что если , то . В процессе проверки обе части последнего уравнения вычисляются, и если они не равны, то исходное сложение было выполнено с ошибкой.
Репуниты и редигиты
Репуниты — это целые числа, которые представляются только цифрой 1. Например, 1111 (одна тысяча сто одиннадцать) — это репунит. Репцифры — это обобщение репунитов; это целые числа, представленные повторениями одной и той же цифры. Например, 333 — это репцифра. Вопрос о простоте репунитов представляет интерес для математиков.
Палиндромные числа и числа Лихреля
Палиндромные числа — это числа, которые читаются одинаково слева направо и справа налево. Число Лихреля — это положительное целое число, которое никогда не становится палиндромом в результате итеративного процесса, когда к нему прибавляется число, полученное из него обращением порядка цифр. Вопрос о существовании чисел Лихреля в десятичной системе счисления остаётся открытой проблемой в рекреационной математике; наименьшим кандидатом является число 196.
История древних чисел
Счетные приспособления, особенно использование частей тела (счет на пальцах), безусловно, использовались в доисторические времена, как и сегодня. Существует множество вариаций. Помимо счета десяти пальцев, некоторые культуры считали костяшки пальцев, промежутки между пальцами, а также пальцы ног. Культура оксапмин из Новой Гвинеи использует систему из 27 точек на верхней части тела для обозначения чисел. Для сохранения численной информации с доисторических времен использовались зарубки, вырезанные на дереве, кости и камне. Культуры каменного века, включая древние коренные народы Америки, использовали зарубки для азартных игр, оказания услуг и учета товаров в торговле. Метод сохранения численной информации на глине был изобретен шумерами между 8000 и 3500 годами до нашей эры. Он заключался в использовании небольших глиняных жетонов различной формы, которые нанизывались на веревку, как бусины. Начиная примерно с 3500 года до нашей эры, глиняные жетоны постепенно заменялись числовыми знаками, оттиснутыми круглым стилусом под разными углами на глиняных табличках (первоначально служивших для хранения жетонов), которые затем обжигались. Около 3100 года до нашей эры письменные числа отделились от объектов счета и стали абстрактными цифрами. Между 2700 и 2000 годами до нашей эры в Шумере круглый стилус постепенно заменялся тростниковым стилусом, которым на глине оттискивали клинописные знаки. Эти клинописные числовые знаки напоминали круглые знаки, которые они заменили, и сохранили аддитивный принцип обозначения чисел, свойственный круглым знакам. Эти системы постепенно сошлись к общей шестидесятеричной системе счисления – позиционной системе, состоящей всего из двух оттисков: вертикального клина и шеврона, которые могли также обозначать дроби. Эта шестидесятеричная система была полностью разработана в начале периода Древней Вавилонии (около 1950 года до нашей эры) и стала стандартной в Вавилонии. Сексагезимальные числа представляли собой смешанную систему счисления, сохраняющую чередование основания 10 и основания 6 в последовательности клинописных вертикальных клинов и шевронов. К 1950 году до нашей эры это была позиционная система счисления. Сексагезимальные числа широко использовались в торговле, а также в астрономических и других расчетах. Эта система была экспортирована из Вавилонии и использовалась по всей Месопотамии, а также всеми средиземноморскими народами, использовавшими стандартные вавилонские единицы измерения и счета, включая греков, римлян и египтян. Вавилонская шестидесятеричная система счисления до сих пор используется в современных обществах для измерения времени (минуты в часе) и углов (градусы).
История современных чисел
В Китае армии и провиант подсчитывались с помощью модульных счетов простых чисел. Уникальные числа войск и объемы риса представляли собой уникальные комбинации этих счетов. Большим преимуществом модульной арифметики является простота умножения. Это делает ее использование для учета провизии особенно привлекательным. Традиционные счета довольно сложно умножать и делить. В наше время модульная арифметика иногда применяется в цифровой обработке сигналов. Древнейшая греческая система – аттическая, но в IV веке до н.э. они начали использовать квазидесятичную алфавитную систему (см. Греческие числа). Евреи также начали использовать подобную систему (еврейские числа), самые ранние известные образцы – монеты, датируемые примерно 100 годом до н.э. Римская империя использовала счетные знаки, записываемые на воске, папирусе и камне, и в целом следовала греческому обычаю присваивать буквам различные числовые значения. Римская система счисления оставалась в употреблении в Европе до тех пор, пока позиционная система не получила широкое распространение в XVI веке. Майя из Центральной Америки использовали смешанную систему счисления с основанием 18 и 20, возможно, унаследованную от ольмеков, включающую передовые элементы, такие как позиционная система и ноль. Они использовали эту систему для проведения сложных астрономических расчетов, включая высокоточные вычисления длины солнечного года и орбиты Венеры. Империя инков управляла крупной плановой экономикой, используя кипу – счета, сделанные путем завязывания цветных волокон. Знание кодировки узлов и цветов было подавлено испанскими конкистадорами в XVI веке и не сохранилось, хотя простые устройства для записи, подобные кипу, до сих пор используются в регионе Анд. Некоторые исследователи полагают, что позиционная арифметика возникла с широким использованием счетных палочек в Китае. Самые ранние известные письменные позиционные записи – это результаты вычислений с помощью палочек в Китае, датируемые примерно 400 годом. Ноль впервые был использован в Индии в VII веке н.э. Брахмагуптой. Современная позиционная система арабских цифр была разработана математиками в Индии и передана мусульманским математикам вместе с астрономическими таблицами, привезенными в Багдад индийским послом около 773 года. Из Индии, благодаря процветающей торговле между исламскими султанами и Африкой, эта концепция проникла в Каир. Арабские математики расширили систему, включив в нее десятичные дроби, а Мухаммед ибн Муса аль-Хорезми написал об этом важный труд в IX веке. Современные арабские цифры были введены в Европу с переводом этого труда в XII веке в Испании и в трактате Леонардо Пизанского «Liber Abaci» 1201 года. В Европе полная индийская система с нулем была заимствована у арабов в XII веке. Двоичная система (основание 2) получила распространение в XVII веке благодаря Готфриду Лейбницу. Лейбниц разработал эту концепцию в начале своей карьеры и вернулся к ней, изучив копию «И-Цзин» из Китая. Двоичные числа стали широко использоваться в XX веке благодаря применению в компьютерной технике.