Algebra 1/Numeri/I Sistemi di Numerazione

La scrittura in base 10

Il nostro sistema di numerazione è il sistema decimale. Ciò ha probabilmente origine dal fatto che abbiamo 10 dita. Forse se fossimo nati ragni avremmo contato fino ad otto ed useremo un sistema di numerazione ottale, se fossimo nati gatti avremmo contato fino a 4 e useremo un sistema quattrale, millepiedi fino a mille.

Come conta un computer? Un computer ragiona sulla base di soli due stati, passa corrente (acceso) o non passa corrente (spento): è come se avesse due dita. Tutti i sistemi che oggi usiamo nell’informatica utilizzano una logica a due stati: i circuiti elettrici possono trovarsi nello stato di acceso o di spento, i dischi magnetici dell’hard disk sono composti da microscopici magneti ognuno dei quali può essere magnetizzato in un verso o nel verso opposto, i dischi ottici come i CD-ROM e i DVD memorizzano le informazioni al loro interno come se contenessero tanti microscopici specchi ognuno dei quali riflette la luce oppure no.

Nell’antichità si usava uno strumento chiamato abaco. Gli abachi erano tavolette suddivise in colonne su cui si spalmavano cera o sabbia e si incidevano segni o si mettevano sassolini.

Per contare un certo numero di oggetti e ricordarci quanti sono, utilizziamo un abaco:

Cominciamo a contare con le mani: per ogni raggruppamento di 10 segniamo un’unità di ordine superiore, fino a contare tutti gli elementi del nostro insieme. Le unità che rimangono, perché non riescono a formare un raggruppamento di 10, vengono segnate con la cifra che le rappresenta: nel nostro caso 3.

Passiamo all’unità di ordine superiore: le decine. Anche con queste formiamo raggruppamenti di 10, se ci riusciamo. Ogni raggruppamento forma un’unità di ordine superiore, se rimangono elementi che non si raggruppano essi rappresentano le decine. Se non rimane alcuna unità scriviamo 0. Nel nostro caso, ci sono 12 decine, 10 formano un’unità di ordine superiore (centinaia) e 2 restano decine.

Il procedimento continua finché non abbiamo finito di contare tutti gli elementi. Nel nostro esempio finiamo dopo aver formato un’unità di ordine superiore, le centinaia. Il nostro numero è $123$. Ovviamente i numeri 123 e 312 sono due numeri diversi anche se composti dalle stesse cifre, sono diversi perché la posizione delle cifre che li compongono è differente. Ad esempio, la cifra 1, che in 123 è nella posizione più a sinistra, si trova al centro del numero 312.

Dunque, in generale, il valore attribuito alle varie cifre non dipende soltanto dalla specifica cifra considerata ma anche dalla posizione che essa occupa all’interno del numero. Il sistema di numerazione che solitamente usiamo è dunque un sistema posizionale. È chiamato decimale o a base dieci perché dieci unità di un determinato ordine sono rappresentate da un’unità di ordine superiore.

Riassumendo, abbiamo una serie di dieci simboli: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9 che rappresentano il numero delle unità di un determinato ordine. Il significato dei simboli dipende anche dalla posizione che assumono nella “parola” che rappresenta un numero.

Ad esempio: $1846=1\cdot (1000)+8\cdot (100)+4\cdot (10)+6\cdot (1)$, che scritto con le potenze di 10 diventa: $1846=1\cdot (10{)}^3+8\cdot (10{)}^2+4\cdot (10{)}^1+6\cdot (10{)}^0$.

L’esponente del peso attribuito ad ogni cifra che compone la scrittura di un numero rappresenta la posizione della cifra a partire da quella più a destra (0) cioè la meno significativa, quindi ne denota l’ordine di importanza.

Una volta compreso il meccanismo su cui si basa il sistema di numerazione decimale, cioè a base 10, il procedimento si può estendere ad una base qualunque.

Se $B$ è la base di un sistema di numerazione, $B$ unità di un certo ordine vengono rappresentate da un’unità dell’ordine immediatamente superiore. In questo modo si può costruire un sistema di numerazione con qualsiasi base maggiore di 1.

Scrittura di un numero in una base qualsiasi

Il procedimento usato per scrivere un numero in base 10 può essere usato per scrivere un numero in una base qualsiasi.

In accordo con la definizione [def:base], negli esempi abbiamo visto che i simboli che occorrono per scrivere un numero in base 10 sono dieci $\{$0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9$\}$, quelli necessari per scrivere un numero in base 5 sono cinque $\{$0, 1, 2, 3, 4$\}$, quelli necessari per scrivere un numero in base 3 sono tre $\{$0, 1, 2$\}$. Analogamente, i simboli che serviranno per scrivere un numero in base 2 sono due $\{$0, 1$\}$.

Possiamo scrivere i numeri anche in una base superiore a 10. Una base molto usata in informatica, insieme alla base 2, è la base esadecimale, cioè la base 16. In questo caso, per contare devo fare raggruppamenti di 16; sono perciò necessari 16 simboli per indicare questi raggruppamenti, che rappresentano i valori da 0 a 15. Pertanto occorrono dei simboli in più rispetto a quelli utilizzati dal sistema di numerazione decimale, che servono per rappresentare i valori 10, 11, 12, 13, 14, 15. Convenzionalmente si usano i simboli seguenti:

Quindi i numeri esadecimali, in ordine crescente, sono: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, $A$, $B$, $C$, $D$, $E$, $F$, 10, 11, 12, 13, 14, 15, …

Convertire un numero da una base diversa da 10 a base 10

Per scrivere un numero da una base diversa da 10 a base 10 bisogna svilupparlo nella sua forma polinomiale.

Se $(x{)}_B$ è un numero qualsiasi scritto nella base $B$ e se $a_n{a}_{n-1}\dots a_2{a}_1{a}_0$ sono le cifre che compongono la sua rappresentazione, da quella più significativa (con peso $B^n$) a quella meno significativa (con peso $B^0=1$), avremo: Template:Testo centrato

Convertire un numero da base 10 a una base diversa da 10

Abbiamo visto che per contare e scrivere un numero in una base diversa da dieci, per esempio $(29{)}_{10}$ in base 3, dobbiamo raggruppare per 3. Raggruppare per 3 ha lo stesso significato che dividere per 3. Nella prima divisione per tre il quoziente indica quante terzine otteniamo, mentre il resto indica quante unità (di ordine 0) verranno considerate.

Nel nostro esempio si ottengono $29/3=9$ terzine, mentre rimangono 2 unità (di ordine 0). Il 2 sarà il primo numero a destra che verrà considerato. Con 9 terzine si ottengono $9/3=3$ terzine di terzine (novine) con resto 0. Questo 0 diventa la cifra che scriviamo a sinistra del 2. Con 3 terzine di terzine otteniamo una terzina di terzina di terzina (ventisettina), mentre rimangono 0 terzine di terzine. Questo 0 diventa il numero che scriviamo a sinistra dello 0 precedente. Ora, $1:3$ dà come quoziente 0 (terzine di quarto ordine) con resto 1. Qui ci fermiamo e scriviamo 1 a sinistra dello 0 trovato precedentemente.

Il numero si compone da sinistra verso destra con le cifre dei vari resti nell’ordine opposto a quello nel quale sono stati ottenuti. Si ha così $(29{)}_{10}=(1002{)}_3$.

Controlliamo con la notazione polinomiale: $1\cdot 3^3+0\cdot 3^2+0\cdot 3^1+2\cdot 3^0=27+2=29$.

Un altro metodo per trasformare un numero decimale in un numero binario

Per trasformare i numeri da base 10 a base 2 basta scrivere il numero come somma delle potenze del 2:

1. si parte dalla potenza del 2 più vicina, per difetto, al numero da convertire;
2. si vede se la potenza precedente di ordine inferiore può fare parte della sequenza, cioè se la somma tra le potenze non diventa più grande del numero. Se può farne parte allora si scrive 1, altrimenti 0;
3. si prosegue in questo modo fino ad arrivare a $2^0$;
4. la sequenza di 1 e 0 nell’ordine ottenute sono le cifre che, da sinistra verso destra, rappresentano il numero binario corrispondente.

Conversione di un numero da una base diversa da 10 a un'altra base diversa da 10

Conversione tra base 4, base 8, base 16 e base 2

Consideriamo il numero scritto in base 2 $(11010011100101{)}_2$ vogliamo scriverlo in base 4, in base 8, in base 16 senza passare dalla sua scrittura in base 10. Vogliamo scriverlo in base 4, in base 8, in base 16 senza passare dalla sua scrittura in base 10. Notiamo che gruppi di due cifre in base 2 rappresentano tutte le cifre della base 4, gruppi di 3 cifre in base 2 rappresentano tutte le cifre della base 8 e gruppi di 4 cifre nella base 2 rappresentano tutte le cifre della base 16, come indicato nella seguente tabella.

Base 10	Base 2	Base 4	Base 8	Base 16
0	0	00 = 0	000 = 0	0000 = 0
1	1	01 = 1	001 = 1	0001 = 1
2		10 = 2	010 = 2	0010 = 2
3		11 = 3	011 = 3	0011 = 3
4			100 = 4	0100 = 4
5			101 = 5	0101 = 5
6			110 = 6	0110 = 6
7			111 = 7	0111 = 7
8				1000 = 8
9				1001 = 9
10				1010 = A
11				1011 = B
12				1100 = C
13				1101 = D
14				1110 = E
15				1111 = F

Da base 2 a base 4

Dobbiamo raggruppare il numero scritto in base 2 in gruppi di due cifre, partendo da destra, e tradurre il valore di ogni singolo gruppo con la corrispondente cifra in base 4.

Numero scritto in base 2	1 1	0 1	0 0	1 1	1 0	0 1	0 1
Numero scritto in base 4	3	1	0	3	2	1	1

Convertire il numero da base 2 a base 8

Dobbiamo raggruppare il numero scritto in base 2 in gruppi di tre cifre, partendo da destra, e tradurre il valore di ogni singolo gruppo con la corrispondente cifra in base 8.

Numero scritto in base 2	1 1	0 1 0	0 1 1	1 0 0	1 0 1
Numero scritto in base 8	3	2	3	4	5

Convertire il numero da base 2 a base 16

Dobbiamo raggruppare il numero scritto in base 2 in gruppi di quattro cifre, partendo da destra, e tradurre il valore di ogni singolo gruppo con la corrispondente cifra in base 16.

Numero scritto in base 2	1 1	0 1 0 0	1 1 1 0	0 1 0 1
Numero scritto in base 16	3	4	E	5

Perché è importante la base 2?

Tutti gli strumenti elettronici che utilizziamo hanno bisogno di tradurre le informazioni che inseriamo in stati fisici della macchina. Dal punto di vista tecnico oggi usiamo dispositivi elettrici, magnetici, ottici che sono bistabili, ossia assumono due stati fisici differenti e il metodo più semplice e più efficiente per tradurre in “linguaggio macchina” le nostre informazioni è utilizzare la base 2: composta solo dai simboli 0 e 1. La base due è quindi l’alfabeto a disposizione delle macchine per comprendere e rispondere alle nostre richieste. Se si utilizzasse la base 10 dovremo far riconoscere dall’apparato dieci differenti simboli che dovrebbero essere tradotti in altrettanti stati differenti di dispositivi fisici.

A partire da questa informazione elementare detta bit (compressione dall’inglese di binary digit) è possibile costruire informazioni più complesse sotto forma di sequenze finite di zero e di uno. Attraverso la codifica binaria si è in grado di rappresentare caratteri, numeri, istruzioni di programmi ma anche immagini, suoni e video. Tutte le informazioni gestite da un computer sono quindi numeri in forma binaria.

Il primo multiplo del bit è il byte che è formato da una sequenza di 8 bit:

Con una sequenza di 8 bit possiamo codificare fino a 256 caratteri attraverso il codice ASCII. Quando digitiamo un carattere nella tastiera del calcolatore mandiamo un impulso che è una sequenza di 8 bit. Vediamo alcuni esempi della codifica binaria dei caratteri.

Carattere	In base 2	Numero decimale
A	0 1 0 0 0 0 0 1	65
a	0 1 1 0 0 0 0 1	97
M	0 1 0 0 1 1 0 1	77
m	0 1 1 0 1 1 0 1	109
0	0 0 1 1 0 0 0 0	48
1	0 0 1 1 0 0 0 1	49
à	1 0 1 0 0 0 0 0	160
ò	1 0 1 0 0 0 1 0	162

Anche il byte ha i suoi multipli. Eccone alcuni indicati nella seguente tabella.

Sistema internazionale

Nome	Simbolo	Potenza di 10	Valore decimale rispetto al byte
byte	B	$10^0$	1
kilobyte	kB	$10^3$	1.000
megabyte	MB	$10^6$	1.000.000
gigabyte	GB	$10^9$	1.000.000.000
terabyte	TB	$10^{12}$	1.000.000.000.000
petabyte	PB	$10^{15}$	1.000.000.000.000.000
exabyte	EB	$10^{18}$	1.000.000.000.000.000.000
zettabyte	ZB	$10^{21}$	1.000.000.000.000.000.000.000
yottabyte	YB	$10^{24}$	1.000.000.000.000.000.000.000.000

Utilizzo in informatica

Nome	Simbolo	Potenza di 2	Valore decimale rispetto al byte
byte	B	$2^0$	1
kibibyte	KiB	$2^{10}$	1.024
mebibyte	MiB	$2^{20}$	1.048.576
gibibyte	GiB	$2^{30}$	1.073.741.824
tebibyte	TiB	$2^{40}$	1.099.511.627.776
pebibyte	PiB	$2^{50}$	1.125.899.906.842.624
exbibyte	EiB	$2^{60}$	1.152.921.504.606.846.976
zebibyte	ZiB	$2^{70}$	1.180.591.620.717.411.303.424
yobibyte	YiB	$2^{80}$	1.208.925.819.614.629.174.706.176

Operazioni in base diversa da dieci

Le quattro operazioni con i numeri in base diversa da dieci possono effettuarsi con gli stessi algoritmi utilizzati per i numeri naturali.

Sottrazione

Per la sottrazione ci possiamo servire delle stesse tabelle dell’addizione.

Moltiplicazione

Adoperiamo lo stesso algoritmo usato per moltiplicare due numeri decimali utilizzando la tabella della moltiplicazione.

Divisione

Anche per la divisione il procedimento è del tutto analogo a quello usato nel sistema decimale, la tavola da utilizzare è quella della moltiplicazione.

Esercizi del capitolo

Template:Algebra1/PdfEsercizi | Dimensioni: 197 KB}}