Представление числовой информации в различных системах счисления

Разделы: Информатика

Цель урока:

  • обучение – освоить основы систем счисления; иметь научиться переводить числа из одной системы счисления в другую и обратно на примере двоичной системы счисления; освоить способы выполнения арифметических операций в различных системах счисления;
  • развитие коммуникативно-технических умений, умений оценивать результаты выполненных действий, применять полученные знания при решении поставленных задач
  • воспитание эстетического чувства гармонии, самостоятельности, ответственности, воспитание информационной культуры.

Тип урока: урок получения и систематизации знаний, умений и навыков, комбинированный.

Форма обучения: коллективная, индивидуальная.

Приемы обучения: инструктивно-практический, объяснительно-побуждающий, частично-поисковый.

Оборудование: ПК, мультимедийный проектор, система интерактивного голосования Verdict с соответствующим программным обеспечением, операционная система Windows XP или Vista, лицензионный пакет MS Office, стандартная программа Калькулятор.

Ход урока

I. Настрой на урок, сообщение темы и цели урока.

II. Актуализация опорных знаний.

  • Чем различаются естественные и формальные языки?
  • Что такое знаковая система?
  • Какова может быть физическая природа знаков?
  • Вспомните из курса математики, для чего используются цифры?
  • А что такое система счисления?
  • Какие способы записи чисел вы знаете?
  • А каким способом записи чисел мы пользуемся в повседневной жизни? Какое число лежит в его основе?

III. Изучение нового материала (объяснение нового материала сопровождается показом мультимедийной презентации, приложение 1).

Счет появился тогда, когда человеку потребовалось информировать своих сородичей о количестве обнаруженных им предметов. Сначала люди просто различали один предмет перед ними или нет.

Если предмет был не один, то говорили «много».

Самым простым инструментом счета были пальцы на руках человека. С их помощью можно было считать до 5, а если взять две руки, то и до 10. Одна из таких систем счета впоследствии и стала общеупотребительной – десятичная.

До сих пор существуют в Полинезии племена, которые для счета используют с 20-ую систему счисления

Запомнить большие числа было трудно, поэтому к «счетной машине» рук и ног добавляли механические приспособления. Способов счета было придумано немало: В разных местах придумывались разные способы передачи численной информации: Например, перуанцы употребляли для запоминания чисел разноцветные шнуры с завязанными на них узлами. Для запоминания чисел использовались камешки, палочки, зерна, ракушки и т.д.

Потребность в записи чисел появилась в очень древние времена, как только люди научились считать. Количество предметов изображалось нанесением черточек или засечек на какой-либо твердой поверхности: камне, глине и т.д. Люди рисовали палочки на стенах и делали зарубки на костях животных или ветках деревьев. Археологами найдены такие "записи" при раскопках культурных слоев, относящихся к периоду палеолита (10–11 тыс. лет до н. э.). Этот способ записи чисел называют единичной ("палочной”, “унарной”) системой счисления. Любое число в ней образуется повторением одного знака – единицы.

Чем больше зерна собирали люди со своих полей, чем многочисленнее становились их стада, тем большие числа становились им нужны. Единичная запись для таких чисел была громоздкой и неудобной, поэтому люди стали искать более компактные способы обозначать большие числа. Появились специальные обозначения для «пятерок», «десяток», «сотен» и т.д.

Очень наглядной была система таких знаков у египтян. Египтяне придумали эту систему около 5 000 лет тому назад. Это одна из древнейших систем записи чисел, известная человеку.

В середине V в. до н. э. появилась запись чисел нового типа, так называемая алфавитная нумерация. В этой системе записи числа обозначались при помощи букв алфавита, над которыми ставились черточки: первые девять букв обозначали числа от 1 до 9, следующие девять – числа 10, 20, 30, ..., 90, и следующие девять – числа 100, 200, ..., 900. Таким образом, можно было обозначать любое число до 999.

В Древней Греции запись алфавитными символами могла делаться в любом порядке, так как число получалось как сумма значений отдельных букв. Например, записи – jlb bjl jbl все эквивалентны и означают число 532. Однако выполнять арифметические вычисления в такой системе было настолько трудно, что без применения каких-то приспособлений оказалось обойтись практически невозможно.

Алфавитная система была принята и в Древней Руси.

Эта форма записи чисел получила большое распространение в связи с тем, что имела полное сходство с греческой записью чисел. Если посмотреть внимательно, то увидим, что после "а" идет буква "в", а не "б" как следует по славянскому алфавиту, то есть используются только буквы, которые есть в греческом алфавите. Чтобы различать буквы и цифры, над числами ставился особый значок – титло ( ~ ). Так можно было записывать числа до 999. Для больших чисел использовался знак тысяч ¹, который ставился впереди символа, обозначавшего число. До XVII века эта форма записи чисел была официальной на территории России, Белоруссии, Украины, Болгарии, Венгрии, Сербии и Хорватии. До сих пор православные церковные книги используют эту нумерацию.

Римская нумерация, известная нам и в настоящее время. С нею мы достаточно часто сталкиваемся в повседневной жизни.

Это номера глав в книгах, указание века, числа на циферблате часов, и т. д. Возникла эта нумерация в древнем Риме. В ней имеются узловые числа: один, пять и т. д. Остальные числа получались путем прибавления или вычитания одних узловых чисел из других.

Арабская нумерация самая распространенная на сегодняшний день нумерация, которой мы пользуемся в настоящее время.

Применяемые в настоящее время цифры 1234567890 сложились в Индии около 400 г.н.э. Арабы стали пользоваться подобной нумерацией
около 800 г.н.э., а примерно в 1200 г.н.э. ее начали применять в Европе, однако в Европе они стали известны благодаря трудам арабских математиков, и потому за ними утвердилось название «арабские», хотя сами арабы вплоть до настоящего времени пользуются совсем другими символами. Арабские цифры:

В России арабская нумерация стала использоваться при Петре I (до конца XVII века сохранилась славянская нумерация).

В древней Индии и Китае существовали системы записи, построенные на МУЛЬТИПЛИКАТИВНОМ ПРИНЦИПЕ. В таких системах для записи одинакового числа единиц, десятков, сотен или тысяч применяются одни и те же символы, но после каждого символа пишется название соответствующего разряда.

Если десятки обозначить символом Д, а сотни – С, то число 325 будет выглядеть так: 3С2Д5.

Индийцы соединили греческие принципы нумерации со своей десятичной мультипликативной системой. Из арабского языка заимствовано и слово "цифра" (по-арабски "сыфр"), означающее буквально "пустое место".

Это слово применялось для названия знака пустого разряда, и этот смысл сохраняло до XVIII века, хотя еще в XV веке появился латинский термин "нуль" (nullum – ничто). Форма индийских цифр претерпевала многообразные изменения. Та форма, которой мы сейчас пользуемся установилась в XVI веке.

Система счисления – совокупность правил наименования и изображения чисел с помощью набора символов, называемых цифрами.

Количество цифр (знаков), используемых для представления чисел называют – Основанием системы счисления

Сегодня мы настолько сроднились с 10-ной системой счисления, в которой десять цифр. Так что не представляем себе иных способов счета.

Но до наших дней сохранились следы счета шестидесятками. Такой системой счисления пользовались в Древнем Вавилоне. Ведь до сих пор мы делим час на 60 минут, а минуту на 60 секунд. Окружность делят на 360, то есть 6*60 градусов, градус - на 60 минут, а минуту - на шестьдесят секунд, в сутках 24 часа, а в году 365 дней.

Таким образом,

  • время (часы и минуты) мы считаем в 60-ной системе,
  • сутки - в 24-ной,
  • недели в 7-ной.

Системы счисления можно разделить:

  • непозиционные системы счисления;
  • позиционные системы счисления.

В непозиционной системе счисления значение (величина) символа (цифры) не зависит от положения в числе.

Пример 1. У многих народов использовалась система, алфавит которой состоял из одного символа – палочки. Для изображения какого-то числа в этой системе нужно записать определенное множество палочек, равное данному числу: ||||| – число пять.

Пример 2. Самой распространенной непозиционной системой счисления является римская. Алфавит римской системы записи чисел состоит из символов: I – один, V – пять, X – десять, L – пятьдесят, C – сто, D – пятьсот, M – тысяча. Величина числа определяется как сумма или разность цифр в числе (например, II – два, III – три, XXX – тридцать, CC – двести). Если же большая цифра стоит перед меньшей цифрой, то они складываются (например, VII – семь), если наоборот – вычитаются (например, IX – девять).

В позиционных системах счисления значение (величина) цифры определяется ее положением в числе. Любая позиционная система счисления характеризуется своим основанием.

Основание позиционной системы счисления – количество различных цифр, используемых для изображения чисел в данной системе счисления.

Основание 10 у привычной десятичной системы счисления (десять пальцев на руках). Алфавит: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0.

Основание 60 придумано в Древнем Вавилоне: деление часа на 60 минут, минуты – на 60 секунд, угла – на 360 градусов.

Основание 12 распространили англосаксы: в году 12 месяцев, в сутках два периода по 12 часов, в футе 12 дюймов.

Основание 5 широко использовалось в Китае.

За основание можно принять любое натуральное число – два, три, четыре и т.д., образовав новую позиционную систему: двоичную, троичную, четверичную и т.д.

Позиция цифры в числе называется разрядом.

Aq = an-1· qn-1 + … + a1· q1+ a0·q0+ a-1·q-1+ … + a-m·q-m, где

q – основание системы счисления (количество используемых цифр)

Aq – число в системе счисления с основанием q

a – цифры многоразрядного числа Aq

n (m) – количество целых (дробных) разрядов числа Aq

Пример: 239,4510 = 2·102 + 3·101 + 9·100 + 4·10-1 + 5·10-2.

Официальное «рождение» двоичной системы счисления (в её алфавите два символа: 0 и 1) связывают с именем Готфрида Вильгельма Лейбница. В 1703 г. он опубликовал статью, в которой были рассмотрены все правила выполнения арифметических действий над двоичными числами.

Преимущества: для её реализации нужны технические устройства с двумя устойчивыми состояниями: есть ток – нет тока; намагничен – не намагничен; представление информации посредством только двух состояний надежно и помехоустойчиво; возможно применение аппарата булевой алгебры для выполнения логических преобразований информации; двоичная арифметика намного проще десятичной.

Недостаток: быстрый рост числа разрядов, необходимых для записи чисел.

Разложение чисел по степеням основания

Рассмотрим в качестве примера десятичное число 555. Цифра 5 встречается трижды, причем самая правая обозначает пять единиц – наименьшее значение – пять единиц, вторая справа – пять десятков, третья справа – пять сотен. Позиция цифры в числе называется разрядом. В записи правый разряд – разряд единиц, затем смещаясь влево – десятки, сотни, тысячи и так далее.

Число 555 записано в привычной для нас свернутой форме. Мы настолько привыкли к такой записи, что уже не замечаем, как в уме умножаем цифры числа на разные степени числа 10. Это число в развернутой форме будет выглядеть так:

55510 = 5 · 102 + 5 · 101 + 5 · 100 , откуда видно, что число в позиционной системе записывается в виде суммы числового ряда степеней основания (в нашем случае это 10), в качестве коэффициентов которых выступают цифры данного числа.

Теперь запишем двоичное число, которое может состоять только из нулей и единиц, например, 11112 в развернутом виде:

11112 = 1 · 23 + 1 · 22 + 1 · 21 + 1 · 20.

Перевод числа из десятичной системы в систему счисления c другим основанием:

  1. Последовательно выполнять деление исходного целого числа на основание той системы, в которую переводим, пока не получится частное меньшее делителя.
  2. Записать полученные остатки в обратном порядке, начиная с последнего частного.

ПЕРЕВОД чисел в десятичную систему счисления выполнить довольно легко. Для этого необходимо записать число в развернутой форме и вычислить его значение в десятичном виде.

IV. Физминутка.

V. Выполнение индивидуальной работой за ПК.

Учащиеся выполняют на компьютерах с использованием программы Калькулятор задания на перевод чисел из одной системы счисления в другую и на арифметические действия в различных системах счисления.

Пример индивидуального задания (для слабых учащихся к каждому заданию даны подробные пояснения).

  1. Запустите программу Калькулятор.
  2. Выполните перевод чисел в различные системы счисления:
    • 3910→Х2
    • 101,012→Х10
    • 14,2510→Х2
    • 13510→Х8→Х2
    • 11101,111012→Х16→Х10
  3. Выполните действия в двоичной системе счисления:
    • 10112+112=?
    • 10002-1102=?
    • 11102*1012=?
    • 1100012/1112=?

VI. Подведение итогов.

Сегодня на уроке мы познакомились с записью чисел с помощью различных систем счисления, переводом чисел из одной системы счисления в другую, выполнением действий в различных системах счисления. Как вы усвоили полученные знания, мы проверим с помощью тестирования на системе интерактивного голосования Verdict. Взяли пульты для голосования и начинаем…

Вопросы теста с выбором ответов:

1. Знаковая система, в которой числа записываются по определенным правилам, называется:

  1. Алфавитом;
  2. Системой счисления;
  3. Информационной системой;
  4. Основанием.

2. Количество цифр, используемых для записи числа в системе счисления, называют:

  1. Коэффициентом;
  2. Основанием;
  3. Разрядом;
  4. Кодом.

3. Позиция цифры в числе называется:

  1. Коэффициентом;
  2. Основанием;
  3. Разрядом;
  4. Кодом.

4. Во сколько раз различаются значения цифр соседних разрядов числа, определяется:

  1. Степенью;
  2. Основанием;
  3. Алфавитом;
  4. Разрядом.

5. Все знаки, используемые для записи числа в системе счисления, называют:

  1. Разрядом;
  2. Основанием;
  3. Алфавитом;
  4. Коэффициентом.

6. Быстрое увеличение разрядов характерно для системы счисления с основанием:

  1. 2;
  2. 8;
  3. 10;
  4. 16.

7. Система счисления, в которой 8+1=10, является:

  1. Двоичной;
  2. Восьмеричной;
  3. Девятеричной;
  4. Десятичной.

8. В алфавите шестнадцатеричной системы счисления по сравнению с десятичной:

  1. Меньше знаков;
  2. Больше знаков;
  3. Нет латинских букв;
  4. Нет цифр.

9. Величина числа 310,536, при перенесении запятой на один знак вправо:

  1. Увеличится в 10 раз;
  2. Уменьшится в 10 раз;
  3. Увеличится в 6 раз;
  4. Уменьшится в 6 раз.

Приложение 2

VII. Д/з.

Подготовить материал по различным системам счисления и арифметическим операциям в них (§4.1. учебник 8 кл. Н. Д. Угринович).