Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Визуализация степеней двойки от 1 до 1024 (от 2 0 до 2 10 )

Степень двойки - это число в форме 2 n, где n - целое число , то есть результат возведения в степень с числом два в качестве основания и целым числом  n в качестве показателя степени .

В контексте, где рассматриваются только целые числа, n ограничено неотрицательными значениями [1], поэтому мы умножаем 1, 2 и 2 на себя определенное количество раз. [2]

Поскольку два является основанием двоичной системы счисления , степени двойки широко используются в информатике . В двоичном формате степень двойки всегда имеет вид 100 ... 000 или 0,00 ... 001, как и степень 10 в десятичной системе.

Информатика [ править ]

Два в степени n , записанное как 2 n , - это количество способов, которыми могут быть расположены биты в двоичном слове длины n . Слово, интерпретируемое как целое число без знака , может представлять значения от 0 ( 000 ... 000 2 ) до 2 n - 1  ( 111 ... 111 2 ) включительно. Соответствующие подписанные целые значения могут быть положительными, отрицательными и ноль; см. представление чисел со знаком. В любом случае, число на единицу меньше степени двойки часто является верхней границей целого числа в двоичных компьютерах. Как следствие, числа в этой форме часто появляются в компьютерных программах. Например, видеоигра, запущенная в 8-битной системе, может ограничить счет или количество предметов, которые игрок может держать, до 255 - результат использования байта длиной 8 бит для хранения числа, что дает максимальное значение 2 8 - 1 = 255 . Например, в оригинальной Legend of Zelda главный герой ограничивался ношением 255 рупий (валюта игры) в любой момент времени, а в видеоигре Pac-Man, как известно, есть экран убийства на уровне 256.

Степень двойки часто используется для измерения памяти компьютера. Байты в настоящее время считается восемь бит (ым октетом , что приводит к возможностям 256 значений (2 8 ). (Термин байтового один раз имел в виде (а в некоторых случаях, по- прежнему означает) а сбор бит , как правило , от 5 до 32 бит, а не только 8-битная единица.) Префикс килограмм в сочетании с байтом может быть и традиционно использовался для обозначения 1024 (2 10 ). Однако в целом термин килограмм использовался в Международная система единиц означает 1000 (10 3 ). Двоичные префиксы стандартизированы, напримеркиби  (ки) означает 1024. Почти все регистры процессора имеют размеры, равные степени двойки, 32 или 64, что очень часто.

Степень двойки также встречается в ряде других мест. Для многих дисководов по крайней мере одно из размера сектора, количества секторов на дорожку и количества дорожек на поверхность является степенью двойки. Размер логического блока почти всегда равен степени двойки.

Числа, не являющиеся степенями двойки, встречаются в ряде ситуаций, таких как разрешения видео, но они часто являются суммой или произведением только двух или трех степеней двойки или степеней двойки минус один. Например, 640 = 32 × 20 и 480 = 32 × 15 . Другими словами, они имеют довольно регулярные битовые шаблоны.

Простые числа Мерсенна и Ферма [ править ]

Простое число , то есть один меньше , чем степень два, называется главным Мерсенны . Например, простое число 31 является простым числом Мерсенна, потому что оно на 1 меньше 32 (2 5 ). Точно так же простое число (например, 257 ), которое на единицу больше положительной степени двойки, называется простым числом Ферма - показатель степени равен степени двойки. Фракция , которая имеет силу два , как его знаменатель называется двоично - рациональной . Числа, которые могут быть представлены как суммы последовательных положительных целых чисел, называются вежливыми числами ; это именно те числа, которые не являются степенями двойки.

Евклида элементы , Книга IX [ править ]

Геометрическая прогрессия 1, 2, 4, 8, 16, 32, ... (или, в двоичной системе счисления , 1, 10, 100, 1000, 10000, 100000, ...) важна в теории чисел . Книга IX, Предложение 36 Элементов доказывает, что если сумма первых n членов этой прогрессии является простым числом (и, таким образом, является простым числом Мерсенна, как упомянуто выше), то эта сумма, умноженная на n- й член, является совершенным числом . Например, сумма первых 5 членов ряда 1 + 2 + 4 + 8 + 16 = 31, что является простым числом. Сумма 31, умноженная на 16 (пятый член в ряду), дает 496, что является идеальным числом.

Книга IX, Предложение 35, доказывает, что в геометрическом ряду, если первый член вычитается из второго и последнего члена в последовательности, тогда как избыток второго относится к первому, так и избыток последнего относится ко всем этим элементам. перед этим. (Это повторение нашей формулы для геометрического ряда сверху.) Применяя это к геометрической прогрессии 31, 62, 124, 248, 496 (которая получается из 1, 2, 4, 8, 16 путем умножения всех членов на 31) , мы видим, что 62 минус 31 равно 31, поскольку 496 минус 31 равно сумме 31, 62, 124, 248. Таким образом, числа 1, 2, 4, 8, 16, 31, 62, 124 и 248 складываются. до 496 и далее все числа, которые делят 496. Ибо предположим, что p делит 496, а его нет среди этих чисел. Предположим, что p q равно 16 × 31., или 31 относится к q так же, как p равно 16. Теперь p не может делить 16, или это было бы среди чисел 1, 2, 4, 8 или 16. Следовательно, 31 не может делить q . А поскольку 31 не делит q, а q измеряет 496, основная теорема арифметики подразумевает, что q должно делить 16 и находиться среди чисел 1, 2, 4, 8 или 16. Пусть q равно 4, тогда p должно быть 124, что невозможно, поскольку по предположению p не входит в число 1, 2, 4, 8, 16, 31, 62, 124 или 248.

Таблица значений [ править ]

(последовательность A000079 в OEIS )

Начиная с 2 последняя цифра периодична с периодом 4, с циклом 2–4–8–6–, а начиная с 4 последние две цифры периодичны с периодом 20. Эти закономерности обычно верны для любой степени в отношении любая база . Шаблон продолжается там, где каждый шаблон имеет начальную точку 2 k , а период является мультипликативным порядком 2 по модулю  5 k , что составляет φ (5 k ) = 4 × 5 k -1 (см. Мультипликативная группа целых чисел по модулю n ). [ необходима цитата ]

Степень 1024 [ править ]

(последовательность A140300 в OEIS )

Первые несколько степеней 2 10 немного больше, чем те же самые степени 1000 (10 3 ):

Степени двойки, экспонентами которых являются степени двойки [ править ]

Поскольку данные ( в частности , целые числа) и адрес данных хранятся с использованием тех же аппаратных средств, а также данные сохраняются в одном или несколько октетах ( 2 3 ), двойной экспонент из двух является общим. Например,

Некоторые из этих чисел представляют собой количество значений, которые можно представить с помощью обычных компьютерных типов данных . Например, 32-битное слово, состоящее из 4 байтов, может представлять 2 32 различных значения, которые могут рассматриваться либо как простые битовые шаблоны, либо чаще интерпретироваться как числа без знака от 0 до 2 32 - 1 , или как диапазон чисел со знаком от −2 31 до 2 31 - 1 . Также см. Тетрацию и нижние гипероперации . Дополнительные сведения о представлении чисел со знаком см. В дополнении до двух .

В связи с нимберами эти числа часто называют 2-степенями Ферма .

Числа образуют последовательность иррациональности : для каждой последовательности из положительных целых чисел , то ряд

сходится к иррациональному числу . Несмотря на быстрый рост этой последовательности, это самая медленно растущая из известных последовательностей иррациональности. [3]

Избранные степени двойки [ править ]

2 8 = 256
Количество значений, представленных 8 битами в байте , более конкретно называемое октетом . (Термин « байт» часто определяется как совокупность битов, а не как строгое определение 8-битной величины, что демонстрируется термином килобайт .)
2 10 = 1024
Двоичное приближение килограмма , или множителя 1000, которое вызывает изменение префикса. Например: 1024  байта = 1  килобайт (или кибибайт ).
2 12 = 4096
Размер аппаратной страницы процессора, совместимого с Intel x86 .
2 15 = 32 768
Количество неотрицательных значений для подписанного 16-разрядного целого числа.
2 16 = 65 536
Количество различных значений, представленных одним словом на 16-битном процессоре, таком как исходные процессоры x86 . [4]
Максимальный диапазон коротких целочисленных переменных в языках программирования C # и Java . Максимальный диапазон переменной Word или Smallint в языке программирования Pascal .
Количество бинарных отношений в наборе из 4 элементов.
2 20 = 1 048 576
Двоичное приближение мега- или 1 000 000 множителей, вызывающее изменение префикса. Например: 1 048 576  байт = 1  мегабайт (или мибибайт ).
2 24 = 16 777 216
Количество уникальных цветов, которые могут отображаться в истинном цвете , который используется обычными компьютерными мониторами .
Это число является результатом использования трехканальной системы RGB с 8 битами для каждого канала или 24 битами всего.
Размер наибольшего беззнакового целого числа или адреса в компьютерах с 24-битными регистрами или шинами данных.
2 29 = 536 870 912
Наибольшая степень двойки с различными цифрами в базе десять. [5]
2 30 = 1 073 741 824
Двоичное приближение к гига- или 1 000 000 000 множителю, которое вызывает изменение префикса. Например, 1 073 741 824 байта = 1  гигабайт (или гибибайт ).
2 31 = 2 147 483 648
Количество неотрицательных значений для подписанного 32-разрядного целого числа. Поскольку с 1 января 1970 года время Unix измеряется в секундах, оно закончится в 2147483647 секундах или 03:14:07 UTC во вторник, 19 января 2038 года, на 32-битных компьютерах под управлением Unix, проблема, известная как проблема 2038 года .
2 32 = 4 294 967 296
Количество различных значений, представленных одним словом на 32-битном процессоре. [6] Или количество значений, представленных в двойном слове на 16-битном процессоре, таком как исходные процессоры x86 . [4]
Диапазон intпеременной в языках программирования Java и C # .
Диапазон значений переменной Cardinalили Integerв языке программирования Паскаль .
Минимальный диапазон длинных целочисленных переменных в языках программирования C и C ++ .
Общее количество IP-адресов в IPv4 . Хотя это, на первый взгляд, большое число, исчерпание адресов IPv4 неизбежно.
Количество бинарных операций с доменом равно любому набору из 4 элементов, например GF (4).
2 40 = 1 099 511 627 776
Двоичное приближение тера- , или 1 000 000 000 000 множителей, вызывающее изменение префикса. Например, 1 099 511 627 776 байт = 1 терабайт (или тебибайт ).
2 50 = 1 125 899 906 842 624
Двоичное приближение пета , или множителя 1 000 000 000 000 000. 1,125,899,906,842,624 байта = 1 петабайт (или пебибайт ).
2 53 = 9 007 199 254 740 992
Число, до которого все целочисленные значения могут быть точно представлены в формате IEEE с плавающей запятой двойной точности .
2 56 = 72 057 594 037 927 936
Количество различных возможных ключей в устаревшем 56-битном симметричном шифре DES .
2 60 = 1,152,921,504,606,846,976
Двоичное приближение exa- , или множитель 1,000,000,000,000,000,000. 1,152,921,504,606,846,976 байт = 1 эксабайт (или эксбибайт ).
2 63 = 9 223 372 036 854 775 808
Количество неотрицательных значений для подписано 64-разрядное целое число.
2 64 = 18 446 744 073 709 551 616
Количество различных значений, представленных одним словом на 64-битном процессоре. Или количество значений, представленных в двойном слове на 32-битном процессоре. Или количество значений, представленных в квадрослове на 16-разрядном процессоре, таком как исходные процессоры x86 . [4]
Диапазон длинной переменной в языках программирования Java и C # .
Диапазон переменной Int64 или QWord в языке программирования Pascal .
Общее количество IPv6-адресов, обычно предоставляемых одной локальной сети или подсети.
На единицу больше, чем количество рисовых зерен на шахматной доске, согласно старой истории , где первая клетка содержит одно рисовое зерно, а каждая последующая клетка вдвое больше, чем предыдущая. По этой причине число 2 64 - 1 известно как «шахматное число».
2 64 - 1 - это также количество ходов, необходимых для завершения легендарной 64-дисковой версии Ханойской башни .
2 68 = 295 147 905 179 352 825 856
Первая степень двойки, содержащая все десятичные цифры. (последовательность A137214 в OEIS )
2 70 = 1,180,591,620,717,411,303,424
Двоичное приближение дзетта- , или множитель 1,000,000,000,000,000,000,000. 1,180,591,620,717,411,303,424 байта = 1 зеттабайт (или зебибайт ).
2 80 = 1,208,925,819,614,629,174,706,176
Двоичное приближение йотта- , или множителя 1,000,000,000,000,000,000,000,000. 1,208,925,819,614,629,174,706,176 байт = 1 йоттабайт (или йобибайт ).
2 86 = 77 371 252 455 336 267 181 195 264
Предполагается, что 2 86 является наибольшей степенью двойки, не содержащей десятичного нуля. [7]
2 96 = 79 228 162 514 264 337 593 543 950 336
Общее количество IPv6-адресов, обычно передаваемых в локальный Интернет-реестр . В нотации CIDR интернет-провайдерам дается / 32 , что означает, что для адресов доступно 128-32 = 96 бит (в отличие от обозначения сети). Таким образом, 2 96 адресов.
2 108 = 324 518 553 658 426 726 783 156 020 576 256
Наибольшая известная степень двойки, не содержащая десятичной дроби. (последовательность A035064 в OEIS )
2 126 = 85 070 591 730 234 615 865 843 651 857 942 052 864
Наибольшая известная степень двойки, не содержащая пары последовательных одинаковых цифр. (последовательность A050723 в OEIS )
2 128 = 340 282 366 920 938 463 463 374 607 431 768 211 456
Общее количество IP-адресов, доступных в IPv6 . Также количество различных универсально уникальных идентификаторов (UUID) .
2 168 = 374 144 419 156 711 147 060 143 317 175 368 453 031 918 731 001 856
Наибольшая известная степень двойки, не содержащая всех десятичных цифр (цифра 2 в этом случае отсутствует). (последовательность A137214 в OEIS )
2 192 = 6,277,101,735,386,680,763,835,789,423,207,666,416,102,355,444,464,034,512,896
Общее количество различных возможных ключей в 192-битном пространстве ключей AES (симметричный шифр).
2 229 = 862,718,293,348,820,473,429,344,482,784,628,181,556,388,621,521,298,319,395,315,527,974,912
2 229 - это наибольшая известная степень двойки, содержащая наименьшее количество нулей относительно его степени. Метин Сарияр высказал предположение, что каждая цифра от 0 до 9 склонна появляться равное количество раз в десятичном разложении степени двойки по мере увеличения степени. (последовательность A330024 в OEIS )
2 256 = 115,792,089,237,316,195,423,570,985,008,687,907,853,269,984,665,640,564,039,457,584,007,913,129,639,936
Общее количество различных возможных ключей в 256-битном пространстве ключей AES (симметричный шифр).
2 333 = 17,498,005,798,264,095,394,980,017,816,940,970,922,825,355,447,145,699,491,406,164,851,279,623,993,595,007,385,788,105,416,184,430,592
Наименьшая степень 2 больше, чем гугол (10 100 ).
2 1024 = 179,769,313,486,231,590,772,931, ..., 304,835,356,329,624,224,137,216
Максимальное число, которое может поместиться в формате с плавающей запятой двойной точности IEEE , и, следовательно, максимальное число, которое может быть представлено многими программами, например Microsoft Excel .
2 82,589,933 - 1 = 148,894,445,742,041, ..., 210,325,217,902,591
Самое большое известное простое число по состоянию на декабрь 2018 года . В нем более 24 миллионов цифр. [8]

Другие свойства [ править ]

Сумма степеней двойки до заданной положительной целой степени на 1 меньше следующей степени двойки.

Сумма всех n -выбранных биномиальных коэффициентов равна 2 n . Рассмотрим набор всех n- значных двоичных целых чисел. Его мощность составляет 2 л . Это также суммы мощностей определенных подмножеств: подмножество целых чисел без единиц (состоящее из одного числа, записанного как n 0), подмножество с одной единицей, подмножество с двумя единицами и т. Д. До подмножество с n единицами (состоящее из числа, записанного как n 1). Каждый из них, в свою очередь, равен биномиальному коэффициенту, индексированному n и количество учитываемых единиц (например, есть двоичные числа из 10 вариантов выбора 3 с десятью цифрами, которые включают ровно три единицы).

В настоящее время единственные известные почти идеальные числа - это степени двойки .

Число вершин в качестве п - мерного гиперкуба является 2 п . Аналогично, количество ( n - 1) -граний n- мерного кросс-многогранника также равно 2 n, и формула для количества x- граней, которые имеет n -мерный кросс-многогранник, имеет следующий вид:

Сумма обратных степеней двойки является 1 . Сумма обратных квадратов степеней двойки составляет 1/3.

Наименьшая естественная степень двойки, десятичное представление которой начинается с 7, равна [9]

Каждую степень двойки (исключая 1) можно записать как сумму четырех квадратных чисел 24 способами . Степени двойки - это натуральные числа больше 1, которые можно записать как сумму четырех квадратных чисел наименьшим количеством способов.

См. Также [ править ]

  • 2048 (видеоигра)
  • Двоичное число
  • Геометрическая прогрессия
  • Последовательность Гулда
  • Песня Inchworm
  • Целочисленный двоичный логарифм
  • Octave (электроника)
  • Степень 10
  • Сила трех
  • Последовательность без суммирования

Ссылки [ править ]

  1. ^ Липшуц, Seymour (1982). Очерк теории и проблем фундаментальной компьютерной математики Шаума . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. п. 3. ISBN 0-07-037990-4.
  2. ^ Сьюэлл, Майкл Дж. (1997). Мастер-классы по математике . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 78 . ISBN 0-19-851494-8.
  3. ^ Гай, Ричард К. (2004), "E24 Irradality последовательностей", Нерешенные проблемы теории чисел (3-е изд.), Springer-Verlag , p. 346, ISBN 0-387-20860-7, Zbl  1058,11001 , архивируются с оригинала на 2016-04-28
  4. ^ a b c Хотя они различаются по размеру слова, все процессоры x86 используют термин «слово» для обозначения 16 бит; таким образом, 32-разрядный процессор x86 называет свой родной размер слова двойным словом.
  5. ^ Prime Curios !: 536870912 " Архивная копия" . Архивировано 5 сентября 2017 года . Проверено 5 сентября 2017 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  6. ^ "Степени 2 Таблицы - - - - - - Резюме Вона" . www.vaughns-1-pagers.com . Архивировано из оригинального 12 августа 2015 года.
  7. ^ Вайсштейн, Эрик В. "Ноль". Материал из MathWorld - веб-ресурса Wolfram. «Архивная копия» . Архивировано 01.06.2013 . Проверено 29 мая 2013 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  8. ^ "Мерсенн Прайм Дискавери - 2 ^ 82589933-1 это Прайм!" . www.mersenne.org .
  9. ^ Стшелецкий (1994). «O potęgach dwójki (О степени двойки)» (на польском языке). Дельта. Архивировано 9 мая 2016 года.