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Ein Stellenwertsystem Positionssystem oder polyadisches Zahlensystem ist ein Zahlensystem dessen Zahlzeichen aus Ziffern besteht deren jeweiliger Beitrag zum Gesamtwert der Zahl von ihrer Position innerhalb des Zahlzeichens abhangt Beispielsweise tragt im weitverbreiteten Zehnersystem bei einer Zahl mit dem Zahlzeichen 127 die Ziffer 1 den Wert 1 100 zum Zahlenwert bei dazu addiert sich fur die Ziffer 2 der Wert 2 10 sowie fur die Ziffer 7 der Wert 7 1 Die Ziffern 1 2 und 7 besitzen jeweils ihren Ziffernwert tragen aber zum Zahlenwert mit einem Gewicht bei das davon abhangt an welcher Position sie im Zahlzeichen stehen Wenn der Ziffernvorrat des Stellenwertsystems aus b displaystyle b Schriftzeichen besteht dann gilt fur das Zehnersystem mit der Ziffernvorrat von 0 bis 9 die Anzahl b 10 displaystyle b 10 Fur Zahlen mit einem Wert grosser als die hochstwertige Ziffer im Beispiel die 9 werden keine weiteren Ziffern geschaffen sondern der Stelle oder Position die von einer Ziffer belegt ist wird eine weitere Stelle vorangestellt Die Ziffer auf der zusatzlichen Stelle wird aus demselben Vorrat entnommen wird aber um den Faktor b displaystyle b hoher gewichtet Dadurch bekommt jede Stelle einen Wert ihren Stellenwert durch den Faktor wird er grosser als eins Fur jede weitere erforderliche Stelle erhoht sich ihr Stellenwert um einen weiteren Faktor b displaystyle b Damit ergibt sich der Wert Z displaystyle Z einer dreistelligen naturlichen Zahl aus ihren drei Ziffernwerten a 2 displaystyle a 2 a 1 displaystyle a 1 und a 0 displaystyle a 0 zu Z a 2 b 2 a 1 b 1 a 0 b 0 displaystyle Z a 2 cdot b 2 a 1 cdot b 1 a 0 cdot b 0 Bei dem systembedingt endlichen Vorrat an Ziffern hangt die Anzahl der fur ein Zahlenzeichen erforderlichen Stellen logarithmisch von der Grosse der dargestellten Zahl ab im Unterschied zu Additionssystemen bei denen dieser Zusammenhang asymptotisch zu grossen Zahlen hin jenseits der hochstwertigen Ziffer linear ist Eine binare Uhr kann Leuchtdioden benutzen um binare Werte darzustellen Im obigen Bild ist jede Spalte von Leuchtdioden eine BCD Codierung der traditionell sexagesimalen Zeitdarstellung Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Grundbegriffe 2 1 Basis 2 2 Ziffernvorrat 2 3 Stelle und Stellenwert 3 Darstellungen verschiedener Zahlenarten 3 1 Darstellung naturlicher Zahlen 3 2 Darstellung ganzer Zahlen 3 3 Darstellung rationaler Zahlen 3 4 Darstellung reeller Zahlen 4 Formeln 4 1 Berechnung eines Ziffernwertes 4 2 Algorithmus fur rationale Zahlen 4 3 Berechnung der Stellenzahl 4 4 Hinzufugen einer Ziffer 5 Gebrauchliche Basen 6 Konvertierungen 6 1 Beispiel 1 Umwandlung einer Darstellung zur Basis 10 in eine Darstellung zur Basis 12 6 2 Beispiel 2 Umwandlung einer Darstellung zur Basis 16 in eine Darstellung zur Basis 10 6 3 Beispiel 3 Nachkommastellen 7 Balancierte Stellenwertsysteme 8 Lexikographische Ordnung 9 Verallgemeinerungen 9 1 Zahlensysteme mit gemischten Basen 9 1 1 Datumsformat als Zahlensystem mit gemischten Basen 9 2 Nicht naturliche Zahlen als Basis 9 2 1 Negative Basen 9 2 2 Irrationale Basen 9 2 3 Nicht reelle Basen 9 3 p adische Zahlen 10 Weiterfuhrende Texte 11 Literatur 12 Weblinks 13 Einzelnachweise und AnmerkungenGeschichte BearbeitenZahlensysteme sind schon vor Jahrtausenden entstanden Entwicklungen in verschiedenen Kulturkreisen hatten dasselbe Ziel Zahlen durch eine Zahlschrift festhalten zu konnen Ein fruhes Stellenwertsystem ist aus Babylon bekannt Diese hatte den Nachteil dass eine Uneindeutigkeit entstehen konnte wenn in einem Zahlzeichen eine Stelle leer blieb Sehr viel spater wurde zu deren Kennzeichnung ein Luckenfuller oder Platzhalter in das Zahlzeichen eingefugt der aber nicht als numerischer Bestandteil galt Durch die sich in Indien bis ins 7 Jahrhundert n Chr hinziehende Entdeckung der Zahl null und durch die Einfuhrung eines Schriftzeichens fur diese als vollwertige Ziffer mit dem auch gerechnet werden konnte kam die indische Mathematik in die Lage ein Stellenwertsystem in Form des Dezimalsystems zu schaffen wie es inzwischen weltweit ubernommenen worden ist 1 2 Zweifellos ist die Null einer der genialsten Erfindungen der Menschheit 3 Erst mit der Einfuhrung der Null ist das Stellensystem so leistungsfahig geworden wie es heute als selbstverstandlich erachtet wird mit dem nicht nur Zahlen dargestellt werden konnen sondern auch einfach gerechnet werden kann Uber Arabien kam diese Kenntnis im 13 Jahrhundert durch Fibonacci nach Europa und erst im 16 Jahrhundert verbreitete Adam Ries mit seinen Rechenbuchern das Stellenwertsystem und das schriftliche Rechnen im deutschsprachigen Raum 4 Siehe auch Geschichte der ZahlzeichenGrundbegriffe BearbeitenZahlen werden durch Worter oder mittels einer Zahlschrift durch Zahlzeichen dargestellt Diese sind aus Ziffern und gegebenenfalls Vorzeichen oder Trennzeichen zusammengesetzt Das Besondere an einem Stellenwertsystem liegt in seinem Aufbau auf Stellen wobei jede Stelle eine Ziffer enthalt und zu jeder Stelle gehort ein eigener Stellenwert Der Zahlenwert ergibt sich anhand der Anordnung der Ziffern aus deren Ziffernwerten und Stellenwerten Basis Bearbeiten Die Basis oder Grundzahl b displaystyle b nbsp des Stellenwertsystems legt den Faktor fest um den der Stellenwert von Stelle zu Stelle grosser wird angefangen mit dem Stellenwert eins auf der niederwertigsten Stelle einer naturlichen Zahl Diese Basis ist also dieselbe wie die Basis der Potenzen von b displaystyle b nbsp die die Stellenwerte ergeben und sie stimmt mit dem Umfang des Ziffernvorrats uberein Ein Stellenwertsystem mit der Basis b displaystyle b nbsp nennt man auch b displaystyle b nbsp adisches Zahlensystem nicht zu verwechseln mit p displaystyle p nbsp adischen Zahlen Jede ganze Zahl b 2 displaystyle b geq 2 nbsp eignet sich als Basis fur ein Stellenwertsystem 5 Bei b 1 displaystyle b 1 nbsp hatten alle Stellen denselben Stellenwert was dem Prinzip des Stellenwertystems widersprache 6 Die gangigsten Basen sind 7 b 2 displaystyle b 2 nbsp das in der Digitaltechnik verwendete Dualsystem auch Binarsystem genannt b 10 displaystyle b 10 nbsp unser vertrautes Dezimalsystem b 16 displaystyle b 16 nbsp das in der Datenverarbeitung wichtige Hexadezimalsystem Weitere in der Praxis verwendete b displaystyle b nbsp adische Zahlensysteme finden sich im Abschnitt Gebrauchliche Basen Ziffernvorrat Bearbeiten Bei einem Stellenwertsystem wird ein Ziffernsystem mit genau b displaystyle b nbsp verschiedenen Ziffern verwendet Bei den verbreitetsten Ziffernsystemen steht eine Ziffer der unten angegebenen Art fur einen ganzzahligen Ziffernwert 0 1 b 1 displaystyle in 0 1 ldots b 1 nbsp 8 9 Beim Hochzahlen das entspricht der Addition einer Eins wird in der festgelegten Reihenfolge zur Ziffer mit dem nachsthoheren Wert ubergegangen bei den wenigen vorhandenen Ziffern waren aber nur wenige Zahlschritte moglich Deshalb wird bei der hochstwertigen Ziffer durch Addition einer Eins auf die niedrigstwertige Ziffer ubergegangen und auf der nachsthoheren Stelle eine Eins addiert Bei einem Ubertrag auf eine nicht besetzte Stelle wird diese vorab mit einer Null besetzt bei einer nicht begrenzten Anzahl von Stellen lasst sich dadurch das Zahlen unbeschrankt fortsetzen In den gangigen Zahlensystemen werden folgende Ziffern verwendet und ihnen ein Ziffernwert zugewiesen zur besseren Unterscheidung werden hier Ziffersymbole fett und ihre zugehorigen Werte normal gedruckt Im Dualsystem werden die beiden Ziffern 0 und 1 verwendet und ihnen jeweils die Werte der Zahlen 0 und 1 zugeordnet Im Dezimalsystem werden die zehn Ziffern 0 1 2 3 4 5 6 7 8 und 9 verwendet und ihnen jeweils die Werte der Zahlen von 0 bis 9 in der konventionellen Reihenfolge zugeordnet Im Hexadezimalsystem werden die sechzehn Ziffern 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E und F verwendet und ihnen jeweils die Werte der Dezimalzahlen von 0 bis 15 zugeordnet Ist die Basis sehr gross kommt es meistens zu einer Kombination weniger Ziffern in einem weiteren Zahlensystem So ist es beim Sexagesimalsystem ublich statt 60 verschiedenen Zeichen eine Dezimalzahl von 0 bis 59 als Ziffer zu benutzen IP Adressen im IPv4 Format bestehen aus 4 Ziffern die Werte von 0 bis 255 annehmen konnen und mit einem Punkt getrennt werden beispielsweise 192 0 2 42 Eine andere Art der Zuordnung von Ziffer zu Ziffernwert wurde bei der Codierung Base64 gewahlt Mitunter werden anstatt Ziffern auch andere Symbole verwendet beispielsweise werden in der Elektronik oft die beiden Zustande eines Dualsystems nicht mit 0 und 1 beschrieben sondern es werden stattdessen H und L fur High und Low Logikpegel verwendet selten O und L fur On und Low Ein und Aus Stelle und Stellenwert Bearbeiten Der Wert einer Zahl ergibt sich nun durch die Anordnung der Ziffern in einer Ziffernfolge Jeder Platz den eine Ziffer in dieser Anordnung einnimmt oder einnehmen soll ist eine Stelle 8 Jeder Stelle wird ein Stellenwert zugewiesen der einer Potenz der Basis entspricht Die Stelle mit dem niedrigsten Stellenwert steht dabei ganz rechts 10 Im Dezimalsystem gilt beispielsweise bei der Darstellung naturlicher Zahlen Der Stellenwert der ersten Stelle von rechts Einerstelle ist 10 0 1 displaystyle 10 0 1 nbsp Der Stellenwert der zweiten Stelle von rechts Zehnerstelle ist 10 1 10 displaystyle 10 1 10 nbsp Der Stellenwert der dritten Stelle von rechts Hunderterstelle ist 10 2 100 displaystyle 10 2 100 nbsp und so weiter Fur das Weitere erweist sich als vorteilhaft die Stellen nicht ab eins sondern ab null zu nummerieren Auf diese Weise hat dann die i displaystyle i nbsp te Stelle gerade den Stellenwert b i displaystyle b i nbsp Bei der Darstellung rationaler Zahlen werden auch negative Exponenten zugelassen Darstellungen verschiedener Zahlenarten BearbeitenDarstellung naturlicher Zahlen Bearbeiten Naturliche Zahlen werden in der b displaystyle b nbsp adischen Darstellung durch eine endliche Folge von Ziffern in der Form a n a 2 a 1 a 0 displaystyle mathbf a n ldots mathbf a 2 mathbf a 1 mathbf a 0 nbsp dargestellt Dieser Ziffernfolge wird nun die Zahl mit dem Zahlenwert Z displaystyle Z nbsp Z i 0 n a i b i a 0 b 0 a 1 b 1 a 2 b 2 a n b n displaystyle Z sum i 0 n a i cdot b i a 0 cdot b 0 a 1 cdot b 1 a 2 cdot b 2 dotsb a n cdot b n nbsp zugeordnet wobei a i displaystyle a i nbsp der der Ziffer a i displaystyle mathbf a i nbsp zugewiesene Ziffernwert ist Es lasst sich zeigen dass zu jeder naturlichen Zahl eine Folge von Ziffern existiert deren zugeordneter Zahlenwert Z displaystyle Z nbsp ist Im Allgemeinen gibt es sogar mehrere Folgen Es genugt dazu beliebig oft die Ziffer 0 0 auf hoherwertigen Stellen voranzustellen Werden Folgen mit fuhrender 0 verboten so lasst sich zeigen dass diese Zuordnung sogar eineindeutig ist das heisst zu jeder naturlichen Zahl existiert genau eine Folge deren zugeordneter Wert Z displaystyle Z nbsp ist Als Ausnahme von diesem Verbot wird der Zahl null nicht die leere Folge also die Folge ohne ein einziges Glied zugeordnet sondern die Folge mit genau einer Ziffer und zwar der welcher der Wert 0 zugeordnet wird also 0 um diese Zahl typografisch erkennbar zu machen Als Beispiel fur die angegebene Zahlendarstellung betrachten wir die Ziffernfolge 694 im Dezimalsystem b 10 displaystyle b 10 nbsp Sie steht fur 4 10 0 9 10 1 6 10 2 694 displaystyle 4 cdot 10 0 9 cdot 10 1 6 cdot 10 2 694 nbsp Die Ziffernfolge 2B6 im Hexadezimalsystem b 16 displaystyle b 16 nbsp steht fur a 0 a 1 b a 2 b 2 displaystyle a 0 a 1 cdot b a 2 cdot b 2 nbsp mit a 0 displaystyle a 0 nbsp 6 6 a 1 displaystyle a 1 nbsp B 11 a 2 displaystyle a 2 nbsp 2 2 Also hat die Folge 2B6 den Wert der Dezimalzahl 6 11 16 2 16 2 6 176 512 694 displaystyle 6 11 cdot 16 2 cdot 16 2 6 176 512 694 nbsp Entsprechend hat die Ziffernfolge 1010110110 im Dualsystem b 2 displaystyle b 2 nbsp den Wert der Dezimalzahl 0 2 0 1 2 1 1 2 2 0 2 3 1 2 4 1 2 5 0 2 6 1 2 7 0 2 8 1 2 9 2 4 16 32 128 512 694 displaystyle 0 cdot 2 0 1 cdot 2 1 1 cdot 2 2 0 cdot 2 3 1 cdot 2 4 1 cdot 2 5 0 cdot 2 6 1 cdot 2 7 0 cdot 2 8 1 cdot 2 9 2 4 16 32 128 512 694 nbsp Darstellung ganzer Zahlen Bearbeiten In einem System bestehend aus positiver Basis und rein nicht negativem Ziffernvorrat lassen sich negative Zahlen nicht darstellen Solchen Systemen wird ein Minuszeichen beigefugt das den Zahlzeichen ggf vorangestellt wird Dies geht mit einem geringen Verlust an Eineindeutigkeit einher da die Zahl 0 als vorzeichenbehaftete Null in der Form 0 0 oder auch 0 geschrieben werden kann Darstellungen von Zahlen verschieden von 0 denen kein Minuszeichen vorangestellt wird werden als positive Zahlen interpretiert Manchmal mochte man diese Positivitat jedoch besonders hervorheben bspw wenn die Zahl als Inkrement kenntlich gemacht werden soll In solchen Fallen wird in der Darstellung ein Pluszeichen vorangestellt Darstellung rationaler Zahlen Bearbeiten Die Notation wird in die negativen Exponenten der Basis erweitert indem man die entsprechenden Stellen rechts von einem zu diesem Zweck angefugten Trennzeichen in luckenloser Folge anschliesst Im deutschsprachigen Raum ausgenommen Schweiz ist hierfur das Komma im englischsprachigen Raum dagegen der Punkt gebrauchlich Die Werte der Ziffern hinter dem Trennzeichen werden mit b i displaystyle b i nbsp multipliziert wobei i displaystyle i nbsp die Position hinter dem Komma angibt Zum Beispiel wird die rationale Zahl 1 3 8 1 375 im 2 adischen Stellenwertsystem durch die Ziffernfolge 1 011 dargestellt In der Tat ist 1 2 0 0 2 1 1 2 2 1 2 3 1 0 2 1 4 1 8 1 3 8 displaystyle 1 cdot 2 0 0 cdot 2 1 1 cdot 2 2 1 cdot 2 3 1 0 2 1 4 1 8 1 3 8 nbsp Nach der Hinzufugung des Trennzeichens lassen sich viele rationale Zahlen b displaystyle b nbsp adisch darstellen jedoch keineswegs alle denn es kann vorkommen dass zur Darstellung eine unendliche Folge von Nachkommastellen benotigt wird die dann aber periodisch ist Gewohnlich wird diese Periode durch eine uber die sich wiederholenden Ziffern gezogene Linie gekennzeichnet und so sie Lange der Periode markiert und eine endliche Aufschreibung ohne Punktchen moglich Wahrend die Zahl 1 5 0 2 im Dezimalsystem die endliche Ziffernfolge 0 2 hat ist ihre Darstellung im Dualsystem periodisch 0 00110011 2 0 00112 Dagegen bedeutet die Ziffernfolge 0 1 im 3 adischen ternaren System die rationale Zahl 1 3 1 1 3 die im Dezimalsystem einer unendlichen periodischen Ziffernfolge 0 333 0 3dez entspricht Unter der Voraussetzung dass 0 eine Ziffer ist und dass es zu jeder ganzen Zahl eine Ziffer gibt deren Wert zu ihr mod b displaystyle text mod b nbsp kongruent ist 9 was bei Standardziffersystemen stets der Fall ist gilt allgemein dass ein Bruch genau dann eine endliche b displaystyle b nbsp adische Darstellung hat wenn nach dem Kurzen alle Primfaktoren seines Nenners auch Primfaktoren von b p 1 n 1 p k n k displaystyle b p 1 nu 1 cdots p k nu k nbsp bei p 1 p k P displaystyle p 1 ldots p k in mathbb P nbsp und n 1 n k N displaystyle nu 1 ldots nu k in mathbb N nbsp sind Fur eine endliche Darstellung im Dezimalsystem muss der gekurzte Nenner also ein Produkt der Zahlen Zwei und Funf sein Genau dann ist der Bruch ein Dezimalbruch im engeren Sinne oder wird durch Erweitern zu einem solchen Die endlichen Darstellungen bilden den Ring Z S x Q i N 0 x b i Z Z b Z displaystyle mathbb Z S x in mathbb Q mid exists i in mathbb N 0 xb i in mathbb Z mathbb Z b mathbb Z nbsp wobei S p 1 p k P displaystyle S p 1 ldots p k subset mathbb P nbsp fur die Menge der Primfaktoren von b displaystyle b nbsp steht Bei diesen rationalen Zahlen hat in einer vollstandig gekurzten Bruchdarstellung der Nenner nur Primteiler p i S displaystyle p i in S nbsp Fur jedes nichtleere S displaystyle S nbsp liegt der Unterring Z S displaystyle mathbb Z S nbsp von Q displaystyle mathbb Q nbsp wie Q displaystyle mathbb Q nbsp selbst dicht sowohl in Q displaystyle mathbb Q nbsp wie in R displaystyle mathbb R nbsp d h eine jede reelle Zahl lasst sich beliebig genau durch Zahlen aus Z S displaystyle mathbb Z S nbsp approximieren 11 Betrachtet man nur Darstellungen endlicher Lange dann bezeichnen schon die Ziffernfolgen 1 1 0 1 000 im Dezimalsystem allesamt dieselbe rationale Zahl 1 ganz zu schweigen von den Darstellungen 01 0001 mit fuhrenden Nullen Diese Uneindeutigkeiten lassen sich durch Verbote fuhrender und nachklappender Nullen noch unterdrucken Gehoren jedoch die unendlichen Darstellungen von Anfang an zum System dann kommen die nicht abbrechende Darstellung 1 000 1 0 und daruber hinaus die ganz anders aussehende Darstellung 0 999 0 9 alle mit dem Wert 1 hinzu siehe dazu den Artikel 0 999 12 Normalerweise sind Missverstandnisse nicht zu befurchten sodass man beide Darstellungen zulassen kann Eindeutigkeit ist jedoch z B bei der Z Kurve gefordert die Z R 2 R 1 displaystyle Z colon mathbb R 2 to mathbb R 1 nbsp injektiv abbildet und bei der zwei b displaystyle b nbsp Ziffernfolgen alternierend in eine gepresst werden Die Unstetigkeitsstellen der Funktion Z displaystyle Z nbsp sind ubrigens genau die Argumente die eine endliche b displaystyle b nbsp adische Darstellung haben 13 Die b displaystyle b nbsp adische Darstellung eines gekurzten Bruchs q z m n displaystyle q z m cdot n nbsp mit z Z m p 1 m 1 p k m k displaystyle z in mathbb Z m p 1 mu 1 cdots p k mu k nbsp und n N displaystyle n in mathbb N nbsp teilerfremd zur Basis b displaystyle b nbsp hat fur n 1 displaystyle n 1 nbsp die Periodenlange 0 ist also endlich Andernfalls ist b displaystyle b nbsp ein Element der primen Restklasse b Z n displaystyle b in mathbb Z n nbsp sodass b f n 1 mod n displaystyle b varphi n equiv 1 text mod n nbsp ist mit f displaystyle varphi nbsp als der eulerschen f Funktion Die b displaystyle b nbsp adische Periodenlange des gekurzten Bruchs q displaystyle q nbsp ist dann der kleinste Exponent ord n b e gt 0 displaystyle operatorname ord n b e gt 0 nbsp fur den n displaystyle n nbsp ein Teiler von b e 1 displaystyle b e 1 nbsp ist S a den Abschnitt Algorithmus fur rationale Zahlen und den Artikel Rationale Zahl Dezimalbruchentwicklung Darstellung reeller Zahlen Bearbeiten Die Darstellung reeller Zahlen erfolgt prinzipiell genauso wie die von rationalen Zahlen durch b adische Entwicklung Bei rationalen Zahlen liefert diese eine abbrechende oder eine unendliche periodische Ziffernfolge Die b adische Entwicklung einer irrationalen Zahl wie p oder 2 displaystyle sqrt 2 nbsp liefert dagegen stets eine unendliche nichtperiodische Ziffernfolge Durch Verlangerung des Nachkommaanteils ist eine beliebig genaue Annaherung an die irrationale Zahl moglich Wie bei den rationalen Zahlen mit unendlich periodischer Ziffernfolge ist eine endliche Darstellung fur irrationale Zahlen durch Einfuhrung neuer Symbole moglich so wie dies hier fur die Beispiele p und 2 displaystyle sqrt 2 nbsp geschehen ist Trotzdem kann selbst mit beliebig aber endlich vielen zusatzlichen Zeichen nicht jede reelle Zahl als endliche Zeichenfolge dargestellt werden Dies liegt daran dass die Menge der reellen Zahlen uberabzahlbar die Menge aller endlichen Darstellungen mit endlichem Zeichenvorrat aber nur abzahlbar ist 14 Wenn aber unter der Darstellung einer reellen Zahl die bei der b adischen Entwicklung entstehende Ziffernfolge verstanden wird dann ist jede reelle Zahl als ggf unendlicher b adischer Bruch darstellbar auch wenn nicht jeder solche Bruch tatsachlich aufschreibbar ist Siehe auch Liste der ZahlenartenFormeln BearbeitenBerechnung eines Ziffernwertes Bearbeiten Die letzte Ziffer der b displaystyle b nbsp adischen Darstellung einer naturlichen Zahl n displaystyle n nbsp ist der Rest von n displaystyle n nbsp bei Division durch b displaystyle b nbsp Dieser Rest ist auch durch den Ausdruck n b n b displaystyle n b left lfloor frac n b right rfloor nbsp gegeben dabei bezeichnet displaystyle lfloor cdot rfloor nbsp die Gaussklammer Allgemeiner ist die durch die letzten k displaystyle k nbsp Ziffern von n displaystyle n nbsp gebildete Zahl der Rest von n displaystyle n nbsp bei Division durch b k displaystyle b k nbsp Die Ziffer z k displaystyle z k nbsp an der k displaystyle k nbsp ten Stelle von rechts an der Einerstelle mit null beginnend und nach links fortschreitend gezahlt einer positiven reellen Zahl x displaystyle x nbsp ist z k x b k b x b k 1 displaystyle z k left lfloor frac x b k right rfloor b left lfloor frac x b k 1 right rfloor nbsp Dabei ist z k 0 1 b 1 displaystyle z k in 0 1 dotso b 1 nbsp ein Element des Standardziffernvorrats Nimmt man negative k displaystyle k nbsp hinzu fur die sich die entsprechende negative Nachkommastelle ergibt dann hat man x k n z k b k displaystyle x sum k n infty z k b k nbsp mit hinreichend grossem n log b x displaystyle n lfloor log b x rfloor nbsp Algorithmus fur rationale Zahlen Bearbeiten Fur rationales 0 lt x p q lt 1 displaystyle 0 lt x p q lt 1 nbsp und eine Basis b N gt 1 displaystyle b in mathbb N gt 1 nbsp lasst sich die obige Formel in den folgenden Algorithmus einbetten function b adic b p q b 2 0 lt p lt q static Ziffernvorrat 0123 bis zum Zeichen mit dem Wert b 1 begin s die zu bildende Zeichenkette pos 0 hier sind alle Stellen rechts vom Komma while not defined occurs p do occurs p pos die Nummer der Stelle mit dem Rest p bp b p z floor bp q Index z der Ziffer im Vorrat 0 z b 1 p bp z q p ganzzahlig 0 p lt q if p 0 then pl 0 return s end if s s substring Ziffernvorrat z 1 Ziffer aus dem Ziffernvorrat dranhangen substring s 0 1 ist die erste Ziffer nach dem Komma pos 1 end while pl pos occurs p die Periodenlange 0 lt pl lt q Markiere die Ziffern der Periode mit einem Uberstrich for i from occurs p to pos 1 do substring s i 1 overline substring s i 1 end for return s end function Die erste gelb hervorgehobene Zeile entspricht der Ziffernberechnung des vorigen Abschnitts Die darauf folgende Zeile berechnet den neuen Rest p displaystyle p nbsp der Division modulo des Nenners q displaystyle q nbsp Die Gaussklammer floor bewirkt dass b p q 1 lt z b p q b p q displaystyle bp q 1 lt z lfloor bp q rfloor leq bp q nbsp Daraus folgt b p q lt z q p b p z q lt q displaystyle bp q lt zq implies p bp zq lt q nbsp und z q b p 0 b p z q p displaystyle zq leq bp implies 0 leq bp zq p nbsp zusammengenommen 0 p lt q displaystyle 0 leq p lt q nbsp Da somit alle Reste p displaystyle p nbsp ganzzahlig nicht negativ und kleiner als q displaystyle q nbsp sind es also nur q displaystyle q nbsp viele verschiedene von ihnen gibt mussen sie sich in der while Schleife wiederholen Die Wiederkehr eines Restes p displaystyle p nbsp wird uber die Existenz des assoziativen Datenfeldes occurs p festgestellt Die Periode der Ziffern hat dieselbe Lange wie die Periode der Reste Genaueres zur Periodenlange siehe oben Berechnung der Stellenzahl Bearbeiten Die Anzahl a displaystyle a nbsp der Ziffern der b displaystyle b nbsp adischen Darstellung einer naturlichen Zahl n N 0 displaystyle n in mathbb N 0 nbsp ist a 1 wenn n 0 log b n 1 wenn n 1 displaystyle a begin cases 1 amp text wenn n 0 lfloor log b n rfloor 1 amp text wenn n geq 1 end cases nbsp Hinzufugen einer Ziffer Bearbeiten Hangt man an die b displaystyle b nbsp adische Darstellung einer Zahl n displaystyle n nbsp ganz rechts eine Ziffer z displaystyle z nbsp an so erhalt man die b displaystyle b nbsp adische Darstellung der Zahl n b z displaystyle n cdot b z nbsp Stellt man die Ziffer z displaystyle z nbsp hingegen ganz links n displaystyle n nbsp voran so erhalt man die b displaystyle b nbsp adische Darstellung der Zahl z b a n displaystyle z cdot b a n nbsp wobei a displaystyle a nbsp wie oben angegeben die Anzahl der Ziffern von n displaystyle n nbsp ist Gebrauchliche Basen BearbeitenDas bekannteste und verbreitetste Stellenwertsystem ist das Dezimalsystem Zehner System mit Basis 10 und den Ziffern 0 bis 9 Das Dezimalsystem stammt ursprunglich aus Indien Der persische Mathematiker Muhammad ibn Musa al Chwarizmi verwendete es in seinem Arithmetikbuch das er im 8 Jahrhundert schrieb Bereits im 10 Jahrhundert wurde das System in Europa eingefuhrt damals noch ohne Null Durchsetzen konnte es sich jedoch erst im 12 Jahrhundert mit der Ubersetzung des genannten Arithmetikbuchs ins Lateinische Zur Speicherung von Dezimalziffern im Computer dient der BCD Code Im 17 Jahrhundert fuhrte der Mathematiker Gottfried Wilhelm Leibniz mit der Dyadik das Dualsystem binares Zahlensystem ein also das Stellenwertsystem mit der Basis 2 und den Ziffern 0 und 1 Dieses wird vor allem in der Informationstechnik verwendet da deren Logik allein auf Bits welche entweder wahr oder falsch bzw 1 oder 0 sind ausgerichtet ist Da Binardarstellungen grosser Zahlen unubersichtlich lang sind wird an ihrer Stelle oft das Hexadezimal oder Sedezimalsystem verwendet das mit der Basis 16 und den Ziffern 0 1 9 A B F arbeitet Hexadezimale und binare Darstellung lassen sich leicht ineinander umwandeln da eine Stelle einer hexadezimalen Zahl genau vier Stellen ein Nibble einer binaren Zahl entspricht Das Oktalsystem zur Basis 8 Ziffern 0 bis 7 fasst drei Binarstellen zusammen und kommt vorteilhaft ohne zusatzliche Ziffernzeichen aus Das System hat aber in der Computertechnik wegen der heute ublichen Wortlangen von acht Bit keine Bedeutung mehr Ebenfalls Verwendung findet die Basis 64 bei Base64 mit ungewohnter Symbolreihenfolge die Basis 62 mit den Ziffern 0 bis 9 A bis Z und a bis z sowie gelegentlich die Basis 32 bei Base32 mit den Ziffern 0 bis 9 und a bis v Ab ca 1100 v Chr wurden im indo chinesischen Raum Rechentafeln benutzt denen ein Unarsystem zugrunde liegt Aber siehe oben zum Unarsystem in Funfer Blocken das allerdings ein Additionssystem darstellt Das Vigesimalsystem verwendet 20 als Basis Es durfte entstanden sein weil zum Zahlen neben den Fingern auch die Zehen benutzt wurden und war u a in fast allen mesoamerikanischen Kulturen gebrauchlich Das am weitesten entwickelte System dieser Art wurde von den Maya in der Klassischen Periode fur astronomische Berechnungen sowie zur Darstellung von Kalenderdaten verwendet Es handelte sich um ein Stellenwertsystem mit einem Sprung weil an der zweiten Stelle nur die Ziffern von 1 bis 18 auftreten um so als dritten Stellenwert 360 annahernde Lange des Sonnenjahres zu erreichen Die Maya kannten die Null und benutzten sie auch in ihren Kalendern 15 Die Indianer Sud und Mittelamerikas verwendeten Zahlensysteme zur Basis 4 oder 8 16 Das Duodezimalsystem hat als Basis die 12 Wir finden es in der Rechnung mit Dutzend und Gros und im angelsachsischen Masssystem 1 Shilling 12 Pence siehe auch Alte Masse und Gewichte Auch die Stundenzahlung hat in diesem System ihren Ursprung In vielen polytheistischen Religionen gab es 12 Hauptgotter die sich z B im alten Agypten in drei oberste Gotter und 3 3 zugeordnete Gotter aufteilten Die Drei galt als perfekte Zahl siehe auch Dreifaltigkeit Die Babylonier benutzten ein Zahlensystem mit der Basis 60 Sexagesimalsystem siehe auch Geschichte von Massen und Gewichten Ein eventuell zu erwartendes Zahlensystem zur Basis funf bei Volkern die nur eine Hand zum Zahlen benutzen wurde bisher nicht entdeckt In Bantusprachen sind die Namen der Zahlen 6 7 8 und 9 jedoch oft Fremdworter oder als 5 1 5 2 5 3 5 4 verstehbar was auf ein Zahlensystem zur Basis 5 hinweist Zum Beispiel Swahili 1 moja 2 mbili 3 tatu 4 nne 5 tano 6 sita 7 saba 8 nane 9 kenda Arabisch 6 sitta 7 saba a Tshitschewa 1 modzi 2 wiri 3 tatu 4 nai 5 sanu 6 sanu ndi modzi 7 sanu ndi wiri 8 sanu ndi tatu 9 sanu ndi naiBesonders ausgepragt ist das Quinarsystem bei den sudamerikanischen Betoya 1 tey 2 cayapa 3 tozumba 4 cajezea 5 teente 10 caya ente 15 tozumba ente 20 caesea ente 17 Das Senarsystem eignet sich zum Zahlen bis funfunddreissig mit 2 5 Fingern Sprachliche Spuren eines solchen Systems sind sehr selten beispielsweise Bretonisch 18 triouec h etwa 3 6er 17 Die fruhere Vermutung die Maori benutzten ein System zur Basis 11 gilt mittlerweile als uberholt 17 Einige Volker benutzen das System zur Basis 18 Konvertierungen BearbeitenManchmal benotigt man Konvertierungen zwischen Stellenwertsystemen Ist das Dezimalsystem nicht beteiligt kann man es als Zwischenschritt verwenden Die nachfolgenden Berechnungen konnen auch mit Hilfe eines Taschenrechners durchgefuhrt werden bei dem in der Regel die Zahlenein und ausgabe nur im Dezimalsystem geschieht Insbesondere wenn Zahlen von einem System in ein anderes zu konvertieren sind ist es ublich und zweckmassig die Ziffernfolgen durch ein tiefgestelltes Suffix b displaystyle b nbsp der Basis b displaystyle b nbsp des verwendeten Zahlensystems zu kennzeichnen Dabei steht ein fehlendes Suffix und das Suffix 10 standardmassig fur die konventionelle dezimale Darstellung explizit auch dez oder dec Die Suffixe 2 oder b kennzeichnen binar und 16 oder h hexadezimal dargestellte Zahlen Ferner wird als Ziffernvorrat der Standardsatz 0 1 b 1 displaystyle 0 1 ldots b 1 nbsp angenommen Gelegentlich wird die gekennzeichnete Ziffernfolge in eckige Klammern gesetzt Es gibt zwei wesentliche Varianten die iterierte euklidische Division die bei den Stellen niedriger Signifikanz beginnt und die Auswertung des Ziffern Polynoms bspw in einer Art des Horner Schemas Die kleinste Anzahl von Multiplikationen wird benotigt wenn man bei der hochstwertigen Stelle beginnt Die Auswahl richtet sich am besten danach welches Verfahren auf dem vorhandenen Kalkulator am einfachsten durchgefuhrt werden kann Beispiel 1 Umwandlung einer Darstellung zur Basis 10 in eine Darstellung zur Basis 12 Bearbeiten Eine Zahl hat die dezimale Darstellung 4711 Gesucht ist ihre Darstellung im Zwolfersystem Dazu dividiert man die gegebene Darstellung schrittweise durch die neue Basis 12 Die verbleibenden Reste liefern die Ziffernwerte zur Basis 12 Dabei liefert der erste Rest den Ziffernwert zum niedrigsten Stellenwert der gesuchten neuen Darstellung in diesem Fall zum Stellenwert 120 der zweite Rest liefert den Ziffernwert zum zweitniedrigsten Stellenwert hier 121 usw Die zugehorige Rechnung dazu lautet demnach 4711 geteilt durch 12 ergibt 392 Rest 7 das ist die Ziffer zum Stellenwert 120 im Ergebnis 0 392 geteilt durch 12 ergibt 0 32 Rest 8 das ist die Ziffer zum Stellenwert 121 im Ergebnis 00 32 geteilt durch 12 ergibt 00 2 Rest 8 das ist die Ziffer zum Stellenwert 122 im Ergebnis 000 2 geteilt durch 12 ergibt 00 0 Rest 2 das ist die Ziffer zum Stellenwert 123 im Ergebnis Alternativ wird mit der Ziffer zum hochsten vorhandenen Stellenwert begonnen 4711 geteilt durch 123 1728 ergibt 2 Rest 1255 die 2 ist die Ziffer zum hochsten Stellenwert des Ergebnisses 1255 geteilt durch 122 144 ergibt 8 Rest 103 103 geteilt durch 121 12 ergibt 8 Rest 7 7 geteilt durch 120 1 ergibt 7 Rest 0 die 7 ist die Ziffer zum niedrigsten Stellenwert des Ergebnisses Als Duodezimaldarstellung der gegebenen Zahl ergibt sich 288712 Die Umwandlung in andere Stellenwertsysteme erfolgt analog Beispiel 2 Umwandlung einer Darstellung zur Basis 16 in eine Darstellung zur Basis 10 Bearbeiten Bezuglich des Hexadezimalsystems mit den Ziffern 0 1 9 A Wert 10 B Wert 11 C Wert 12 D Wert 13 E Wert 14 und F Wert 15 habe eine Zahl die Darstellung AFFE Gesucht ist die Darstellung dieser Zahl im Zehnersystem Dazu multipliziert man die Ziffern der gegebenen Darstellung mit den jeweiligen Stellenwerten und addiert die Ergebnisse auf Die zugehorige Rechnung dazu lautet demnach Ziffer A mal 16 3 displaystyle 16 3 nbsp ergibt 40960 Ziffer F mal 16 2 displaystyle 16 2 nbsp ergibt 0 3840 Ziffer F mal 16 1 displaystyle 16 1 nbsp ergibt 00 240 Ziffer E mal 16 0 displaystyle 16 0 nbsp ergibt 000 14Als Dezimaldarstellung der gegebenen Zahl ergibt sich 40 960 3840 240 14 45 054 displaystyle 40 960 3840 240 14 45 054 nbsp Alternativ wird schrittweise mit der Basis 16 multipliziert und die jeweils nachste Ziffer hinzugenommen A ergibt 10 10 16 F ergibt 175 175 16 F ergibt 2815 2815 16 E ergibt 45 054Die Umwandlung in andere Stellenwertsysteme erfolgt analog Beispiel 3 Nachkommastellen Bearbeiten Bezuglich des Zehnersystems habe eine Zahl die Darstellung 0 1 Gesucht ist die Darstellung dieser Zahl im Dualsystem Hierzu wird der Nachkommaanteil wiederholt mit der Basis des Zielsystems multipliziert Tritt dabei ein Wert grosser 1 auf wird dessen ganzzahliger Anteil der Reihe der Nachkommastellen hinzugefugt andernfalls wird eine 0 den Nachkommastellen hinzugefugt Tritt eine ganze Zahl als Multiplikationsergebnis auf ist der Nachkommabetrag vollstandig bestimmt oft wird jedoch auch eine Periode auftreten Die zugehorige Rechnung dazu lautet demnach 0 1 mal 2 ergibt 0 2 die erste Nachkommastelle ist also die 0 0 2 mal 2 ergibt 0 4 die zweite Nachkommastelle ist also die 0 0 4 mal 2 ergibt 0 8 die dritte Nachkommastelle ist also die 0 0 8 mal 2 ergibt 1 6 die vierte Nachkommastelle ist also die 1 0 6 mal 2 ergibt 1 2 die funfte Nachkommastelle ist also die 1 0 2 mal 2 muss nicht mehr ausgefuhrt werden da eine Periode aufgetreten ist Als Ergebnis erhalten wird somit 0 0001100110011 Balancierte Stellenwertsysteme BearbeitenBesondere Stellenwertsysteme sind die balancierten Sie haben immer eine ungerade Basis b N displaystyle b in mathbb N nbsp und verwenden sowohl naturliche als auch negative Ziffernwerte namlich die aus der Menge b 1 2 1 0 1 b 1 2 displaystyle tfrac b 1 2 dotsc 1 0 1 dotsc tfrac b 1 2 nbsp Haufig werden die negativen Ziffern durch einen Unterstrich gekennzeichnet So wird z B im balancierten Ternarsystem eine Zahl durch die Ziffern 1 0 und 1 dargestellt welchen die Werte 1 0 und 1 zugeordnet sind Ein balanciertes Stellenwertsystem hat folgende Eigenschaften Das Negative einer Zahl erhalt man durch Austausch einer jeden Ziffer mit ihrem inversen Gegenuber Die erste von 0 verschiedene Stelle zeigt das Vorzeichen an Das System kommt also ohne ein separates Vorzeichen aus Eine Rundung zur nachsten ganzen Zahl geschieht durch einfaches Abschneiden beim Komma Die Darstellung der ganzen Zahlen ist eindeutig Es gibt aber rationale Zahlen die nicht eindeutig darstellbar sind Sei dazu t b 1 2 displaystyle mathbf t tfrac b 1 2 nbsp die grosste Ziffer und t t displaystyle underline mathbf t mathbf t nbsp die kleinste dann ist bspw 0 t 1 t 1 2 displaystyle 0 overline mathbf t 1 overline underline mathbf t frac 1 2 nbsp Lexikographische Ordnung BearbeitenBei positiver Basis b N 1 displaystyle b in mathbb N setminus 1 nbsp hangt die Ordnungsrelation der reellen Zahlen eng zusammen mit der lexikographischen Ordnung der diese Zahlen darstellenden b displaystyle b nbsp adischen Zeichenketten 18 Genauer Es gibt einen Ordnungshomomorphismus eine ordnungserhaltende Abbildung w displaystyle omega nbsp der die beliebig auch unendlich langen Zeichenketten auf b displaystyle b nbsp adische Weise in ein reelles Intervall abbildet Fur kein b displaystyle b nbsp adisches System ist w displaystyle omega nbsp injektiv 19 Welche reellen Zahlen mehrere Darstellungen mehrere Urbilder haben hangt von den Ziffernwerten des zugehorigen Ziffernsystems S displaystyle Sigma nbsp ab Ihre Menge ist eine Teilmenge der rationalen Zahlen hat also abzahlbare Machtigkeit Sie liegt dicht im Bildintervall 20 Herleitung Sei dazu 2 b N displaystyle 2 leq b in mathbb N nbsp und S z 1 z 2 z b displaystyle Sigma z 1 z 2 ldots z b nbsp ein streng totalgeordnetes Alphabet mit z k z k 1 displaystyle z k prec z k 1 nbsp dessen Ordnungsrelation mit displaystyle prec nbsp bezeichnet sei Ferner seien S T S displaystyle S T in Sigma nbsp zwei Zeichen mit S T displaystyle S prec T nbsp dann ist lexikographisch S s T t displaystyle Ss prec Tt nbsp fur alle Zeichenketten s t S displaystyle s t in Sigma infty nbsp mit S displaystyle Sigma infty nbsp als der Menge der beliebig auch unendlich langen Zeichenketten uber S displaystyle Sigma nbsp einschliesslich der kleeneschen Hulle S displaystyle Sigma nbsp von S displaystyle Sigma nbsp Die Zeichenketten konnen auch als b displaystyle b nbsp adische Darstellung aufgefasst werden und zwar seien dazu die Werte w S Z displaystyle w colon Sigma to mathbb Z nbsp der Ziffern z k displaystyle z k nbsp luckenlos aufeinanderfolgend festgelegt also w z k 1 w z k 1 displaystyle w z k 1 w z k 1 nbsp sodass S displaystyle Sigma nbsp ein minimaler Ziffernvorrat fur ein b displaystyle b nbsp adisches System und w z b w z 1 b 1 displaystyle w z b w z 1 b 1 nbsp ist Wir beschranken uns auf Ziffernwerte deren Betrag nicht grosser ist als die Basis also w S b b displaystyle w colon Sigma to b b nbsp womit die wichtigsten in der Praxis vorkommenden Falle abgedeckt sind Die Ziffern S T S displaystyle S T in Sigma nbsp lassen sich so wahlen dass w S w T 1 displaystyle w S w T 1 nbsp ist Dies vertragt sich mit S T displaystyle S prec T nbsp und die obige lexikographische Ungleichung bleibt gultig auch wenn die Ketten s z b z b z b displaystyle s z b z b z b ldots nbsp und t z 1 z 1 z 1 displaystyle t z 1 z 1 z 1 ldots nbsp ins Unendliche fortgesetzte Perioden haben Fur die Auswertung der Zeichenketten entsprechend dem b displaystyle b nbsp adischen System braucht man eine Fortsetzung w S 1 1 displaystyle omega colon Sigma infty to 1 1 nbsp der Wertefunktion w displaystyle w nbsp mit w z w z b 1 1 displaystyle omega z w z b in 1 1 nbsp fur z S displaystyle z in Sigma nbsp und mit w x 1 x 2 x 3 i 1 w x i b i displaystyle omega x 1 x 2 x 3 ldots sum i 1 infty w x i b i nbsp In Bezug auf die Metrik des gewohnlichen archimedischen Absolutbetrags konvergieren die Reihen w s w z b z b z b i 1 w z b b i w z b b 1 displaystyle omega s omega z b z b z b ldots sum i 1 infty w z b b i frac w z b b 1 nbsp und w t w z 1 z 1 z 1 i 1 w z 1 b i w z 1 b 1 displaystyle omega t omega z 1 z 1 z 1 ldots sum i 1 infty w z 1 b i frac w z 1 b 1 nbsp und es ist w s w z b b 1 w z 1 b 1 b 1 w z 1 b 1 1 w t 1 displaystyle omega s frac w z b b 1 frac w z 1 b 1 b 1 frac w z 1 b 1 1 omega t 1 nbsp Damit gilt zwar lexikographisch S s T t displaystyle Ss prec Tt nbsp und die Zeichenketten sind offensichtlich verschieden in S displaystyle Sigma infty nbsp sie werden aber auf dieselbe reelle Zahl w S s w S w s b w T 1 w t 1 b w T w t b w T t 1 1 displaystyle omega Ss w S omega s b w T 1 omega t 1 b w T omega t b omega Tt in 1 1 nbsp abgebildet Somit ist w displaystyle omega nbsp nicht injektiv Schliesst man bei den Ordnungsrelationen die Gleichheit mit ein dann gilt S s T t w S s w T t displaystyle Ss preceq Tt quad implies quad omega Ss leq omega Tt nbsp und w displaystyle omega nbsp ist ein Ordnungshomomorphismus der aber nicht bijektiv und also kein Ordnungsisomomorphismus ist Im Abschnitt Darstellung rationaler Zahlen wurde Z b Z displaystyle mathbb Z b mathbb Z nbsp als die Menge der reellen Zahlen mit endlicher Darstellung herausgearbeitet Die Menge der reellen Zahlen mit mehrfacher Darstellung ist dann Z b Z w z 1 b 1 displaystyle mathbb Z b mathbb Z frac w z 1 b 1 nbsp also bei w z 1 0 displaystyle w z 1 0 nbsp dieselbe wie die der endlichen Darstellungen so bei vielen gebrauchlichen b displaystyle b nbsp adischen Systemen Verallgemeinerungen BearbeitenZahlensysteme mit gemischten Basen Bearbeiten Eine naheliegende Verallgemeinerung ist verschiedene Basen fur die verschiedenen Ziffernpositionen zu wahlen Man spricht dann von Zahlensystemen mit gemischten Basen Ein paar interessante Beispiele sind alternierend a oder b wobei a und b zwei verschiedene naturliche Zahlen gt 1 sind 21 2 oder 3 aber in der Reihenfolge sodass e k displaystyle e k nbsp am relativ engsten approximiert wird mit dem Produkt der ersten k Basen als Basis werden die naturlichen Zahlen gt 1 der Reihe nach genutzt Fakultatsbasis die Primzahlen der Reihe nach oder jene sich dann wiederholenden Primzahlen die mit jeder nachstgrosseren Primzahlpotenz auftreten s a Darstellung der proendlichen Zahlen mit mehreren Basen In den beiden letzten Fallen hat man im Prinzip unendlich viele verschiedene Ziffernsymbole bereitzustellen 22 Datumsformat als Zahlensystem mit gemischten Basen Bearbeiten Hauptartikel Datumsformat Auch die Darstellung von Datum und Uhrzeit hat traditionell mehrere Basen und Ziffernsysteme Im hiesigen Kontext sei als einziges Exempel die folgende im angelsachsischen Sprachraum gebrauchliche Darstellung 1 12 1 31 0 9 2 4 1 12 am pm 0 59 0 59 0 9 angefuhrt bei der zudem die Reihenfolge von Jahr Monat und Tagangaben einerseits sowie Halbtag und Stunde andererseits entgegen der Rangfolge vertauscht sind 23 Hier finden also die Basen 2 10 12 28 31 und 60 Verwendung Insbesondere ist bemerkenswert dass sich die Basis der Tagesstelle nach dem Wert der Monatsstelle richtet Nicht naturliche Zahlen als Basis Bearbeiten Die Basis b displaystyle b nbsp muss nicht notwendigerweise eine naturliche Zahl sein Samtliche auch komplexe Zahlen mit Betrag grosser 1 konnen als Basis eines Stellenwertsystems verwendet werden Negative Basen Bearbeiten Stellenwertsysteme mit negativen Basen b Z displaystyle b in mathbb Z nbsp mit b 2 displaystyle b leq 2 nbsp kooperieren mit denselben Ziffernvorraten wie ihre positiven Entsprechungen b N displaystyle b in mathbb N nbsp und r b displaystyle r b nbsp wird oft als Radix bezeichnet Sie werden haufig mit der Vorsilbe nega gekennzeichnet bspw das negadezimale negabinare negaternare usw Stellenwertsystem Diese Stellenwertsysteme kommen ohne ein extra Vorzeichen aus Andererseits benotigen die Darstellungen haufig eine in manchen Fallen sogar zwei Stellen mehr als im entsprechenden System mit positiver Basis wie das Beispiel 999 10 19019 10 displaystyle 999 10 19019 10 nbsp zeigt Ferner sind die arithmetischen Operationen insbesondere der arithmetische Vergleich und die Bildung des Absolutbetrags etwas komplexer Ist der Ziffernvorrat minimal bspw 0 1 b 1 displaystyle 0 1 ldots b 1 nbsp dann sind alle ganzen Zahlen eindeutig darstellbar Wie bei den positiven Basen gibt es rationale Zahlen die nicht eindeutig darstellbar sind Sei dazu T 0 01 b i 1 b 2 i 1 b 2 1 displaystyle T 0 overline 01 b sum i 1 infty b 2i frac 1 b 2 1 nbsp und t b 1 displaystyle mathbf t b 1 nbsp die grosste Ziffer dann ist sowohl 0 0 t b t T b 1 b 2 1 1 b 1 displaystyle 0 overline 0 mathbf t b mathbf t T frac b 1 b 2 1 frac 1 b 1 nbsp als auch 1 t 0 b 1 t b T b 2 1 b 1 b b 2 1 1 b 1 displaystyle 1 overline mathbf t 0 b 1 mathbf t bT frac b 2 1 b 1 b b 2 1 frac 1 b 1 nbsp Einige arithmetische Operationen bringt der englischsprachige Artikel Irrationale Basen Bearbeiten Will man alle reellen Zahlen darstellen dann muss bei nicht ganzzahliger oder irrationaler Basis b R Z displaystyle b in mathbb R setminus mathbb Z nbsp die Minimalgrosse des Ziffernsystems b displaystyle lceil b rceil nbsp Betragsstriche und Gaussklammern sein Fur solche verallgemeinerten Stellenwertsysteme gelten einige der hier gemachten Aussagen uber die endliche Darstellbarkeit rationaler Zahlen nicht Wird zum Beispiel der Goldene Schnitt F 1 5 2 displaystyle Phi frac 1 sqrt 5 2 nbsp als Basis und 0 1 displaystyle left 0 1 right nbsp als Ziffernvorrat verwendet dann stellt eine endliche Ziffernfolge stets eine ganze Zahl oder eine irrationale Zahl der Form s t 5 displaystyle s t cdot sqrt 5 nbsp mit rationalen s t displaystyle s t nbsp dar Trotzdem hat nicht jede solche Zahl eine endliche Darstellung Eine ebenfalls auf dem Goldenen Schnitt basierende Darstellung ist die Zeckendorf Darstellung bei der allerdings nicht die Potenzen von F displaystyle Phi nbsp sondern die Fibonacci Zahlen als Stellenwerte genommen werden Nicht reelle Basen Bearbeiten Das erste Zahlsystem das eine komplexe Zahl nicht als zwei separate Ziffernfolgen je eine fur Real und eine fur Imaginarteil darstellt sondern eine komplexe Zahl als eine einzige Ziffernfolge war das von D Knuth 1955 vorgeschlagene quater imaginare System 24 Es hat 2 i displaystyle 2 mathrm i nbsp als Basis und 0 1 2 3 als Ziffern Dort ist bspw 1 103 2 i displaystyle 1 103 2 mathrm i nbsp und i 10 2 2 i displaystyle mathrm i 10 2 2 mathrm i nbsp Siehe auch den englischsprachigen Artikel Quater imaginary base Ein anderes System wurde 1964 von S Khmelnik vorgeschlagen und fur Digitalmaschinerie ausgearbeitet 25 Es hat i 1 displaystyle mathrm i 1 nbsp als Basis und 0 1 als Ziffern Bspw ist 1 11101 i 1 displaystyle 1 11101 mathrm i 1 nbsp und i 11 i 1 displaystyle mathrm i 11 mathrm i 1 nbsp Siehe auch den englischsprachigen Artikel en Complex base systems p adische Zahlen Bearbeiten Hauptartikel p adische Zahl Die hier vorgestellten Stellenwertsysteme beruhen auf der Konvergenz in Bezug auf die Metrik des gewohnlichen archimedischen Absolutbetrags Die unendlichen Reihen die hier immer und zwar rechts bei den kleinen Potenzen der Basis Exponenten displaystyle searrow infty nbsp konvergieren sind dann reelle oder komplexe Zahlen Es gibt aber fur die rationalen Zahlen auch Metriken die auf nichtarchimedischen Betragsfunktionen basieren und eine ganz ahnliche Notation mit Basis und Ziffernvorrat gestatten Die unendlichen Reihen die auch dort immer und zwar der Konvention nach links bei den grossen Potenzen Exponenten displaystyle nearrow infty nbsp konvergieren sind p adische Zahlen Zwar stimmen endliche p displaystyle p nbsp adische Ausdrucke mit derselben Ziffernfolge in dann ebenfalls endlicher p b displaystyle p b nbsp adischer Darstellung uberein es gibt aber gravierende Unterschiede zu den ansonsten hier vorgestellten archimedischen Systemen Die wichtigsten sind Die p displaystyle p nbsp adischen Darstellungen sind immer umkehrbar eindeutig Ein Vorzeichen wird nicht benotigt Die Darstellung von 1 displaystyle 1 nbsp als unendliche Summe ist 1 i 0 p 1 p i textstyle 1 sum i 0 infty p 1 cdot p i nbsp Ein p displaystyle p nbsp adischer Ring kann nicht angeordnet werden Ist p displaystyle p nbsp zerlegbar also keine Primzahl dann enthalt der p displaystyle p nbsp adische Ring Z p displaystyle mathbb Z p nbsp Nullteiler die allesamt nicht abbrechende Darstellungen haben Einzelheiten in Proendliche Zahl 10 adische Zahlen Die nicht abbrechenden Reihen stellen in beiden Systemen Zahlobjekte mit vollig verschiedenen arithmetischen Eigenschaften dar Die periodischen unter ihnen stellen in beiden Systemen rationale Zahlen dar Alle Algorithmen fur die Grundrechenarten beginnen rechts bei den kleinen Exponenten moglicherweise negativ aber gt displaystyle gt infty nbsp und laufen wie die Potenzen und Ubertrage in die gleiche Richtung nach links zu den grossen Exponenten Wenn die Rechnung abgebrochen wird kann sofort die Grosse des Fehlers angegeben werden Weiterfuhrende Texte BearbeitenDer Artikel Teilbarkeit erlautert wie in der Darstellung von Stellenwertsystemen in bestimmten Fallen erkannt werden kann ob eine Zahl Teiler einer anderen ist Die Cantorsche Normalform verallgemeinert die Darstellung von Zahlen im Stellenwertsystem auf Ordinalzahlen Ein Beispiel zur Anwendung zeigt die Berlin Uhr Literatur BearbeitenDonald Knuth The Art of Computer Programming 3 Auflage Band 2 Addison Wesley Boston 1998 ISBN 0 201 89684 2 Positional Number Systems S 194 213 englisch Marko Petkovsek Ambiguous Numbers are Dense In American Mathematical Monthly Band 97 Nr 5 Mai 1990 S 408 411 doi 10 2307 2324393 englisch Weblinks Bearbeiten nbsp Wiktionary Stellenwertsystem Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Online Umrechner fur verschiedene Zahlensysteme JavaScript Umrechner fur die Basen 2 8 10 und 16 Opas Stellenwertsystem des Tiroler Volksschullehrers Anton Haag Video Stellenwertsysteme Teil 1 Padagogische Hochschule Heidelberg PHHD 2012 zur Verfugung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek TIB doi 10 5446 19902 Video Stellenwertsysteme Teil 2 Padagogische Hochschule Heidelberg PHHD 2012 zur Verfugung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek TIB doi 10 5446 19903 Einzelnachweise und Anmerkungen Bearbeiten Thomas Westermann Mathematik fur Ingenieure Ein anwendungsorientiertes Lehrbuch 7 Auflage Springer Vieweg 2015 S 5 Hadwig Dorsch Ehrhard Behrends Wie die Ausstellung Mathema entstand in Ist Mathematik die Sprache der Natur Von der Keilschrift bis zu den Grenzen der Erkenntnis Spektrum der Wissenschaft 2013 Albrecht Beutelspacher Kleines Mathematikum 3 Auflage Verlag C H Beck 2010 S 38 Friedhelm Padberg Andreas Buchter Einfuhrung Mathematik Primarstufe Arithmetik 2 Auflage Springer 2015 S 24 Guido Walz Stellenwertsystem In Lexikon der Mathematik Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH 2017 abgerufen am 3 August 2023 Der Fall b 1 displaystyle b 1 nbsp bedeutet einen nur aus einem einzigen Element bestehenden Ziffernvorrat sodass als Unterscheidungsmerkmal zwischen zwei Darstellungen nur ihre Lange in Frage kommt Das fuhrt im besten Fall zum Unarsystem einem nicht so machtigen Darstellungssystem welches nicht als Stellenwertsystem gilt da der Stellenwert einer Ziffer unabhangig von ihrer Position immer gleich ist DIN 1333 Zahlenangaben 1992 Kap 8 a b DIN 1333 Zahlenangaben 1992 Kap 10 1 a b Interessant sind auch Ziffernsysteme mit negativen Ziffernwerten insbesondere die balancierten Stellenwertsysteme Eher exotisch sind die Systeme von David W Matula zitiert nach Knuth1 S 210f Alle enthalten jedoch die Null da sonst die Null selbst nicht darstellbar ist und eine abgebrochene Darstellung sich um mehr als den kleinsten Stellenwert von der genauen Zahl unterscheidet Eine solche Notation mit von links nach rechts absteigender Wertigkeit ist in der Datenverarbeitung im Format Big Endian beibehalten worden Im Fall S p displaystyle S p nbsp fur ein p P displaystyle p in mathbb P nbsp ist Z p displaystyle mathbb Z p nbsp nicht mit dem diskreten Bewertungsring Z p Z S displaystyle mathbb Z p mathbb Z S nbsp mit S P p displaystyle S mathbb P setminus p nbsp zu verwechseln der auch dicht liegt in Q displaystyle mathbb Q nbsp dessen eingepragte Bewertung aber zur vollig anderen Vervollstandigung namlich den p adischen Zahlen Z p displaystyle mathbb Z p nbsp fuhrt Dieses Phanomen tritt bei jeder Basis b Z 1 0 1 displaystyle b in mathbb Z setminus 1 0 1 nbsp und jedem vernunftigen Ziffernsystem auf Fur b gt 0 displaystyle b gt 0 nbsp siehe den Abschnitt Lexikographische Ordnung fur b lt 0 displaystyle b lt 0 nbsp den Abschnitt Negative Basen jeweils mit Beispielen fur Zahlen mit mehrfacher Darstellung Ganz ahnlich verhalt es sich bei der Hilbert Kurve Ihr Mass ist 0 und damit auch der Zahlen mit mehrfacher Darstellung Hans Wussing 6000 Jahre Mathematik Eine kulturgeschichtliche Zeitreise 1 Von den Anfangen bis Leibniz und Newton Springer Berlin Heidelberg 2008 ISBN 978 3 540 77189 0 S 26 ff 30 Ewald Fettweis Das Rechnen der Naturvolker Springer Verlag 2013 ISBN 978 3 663 16172 1 S 22 23 google de abgerufen am 17 Mai 2023 a b c Levi Leonard Conant The Number Concept Etext Project Gutenberg englisch Bei vor dem Trennzeichen gleich langen Zeichenketten entsprechen sich die Ordnungen exakt auch bei gemischt negativen Ziffern nicht jedoch bei einer Darstellung im kleinendigen little endian Format und auch nicht bei negativen Basen Gleichwohl injektiv wenn eingeschrankt auf die kleenesche Hulle S displaystyle Sigma nbsp Zeichenketten endlicher Lange Petkovsek p 408 Wie oben bei den Zweierpotenzen kann eine solche Darstellung als Sonderfall einer ab adischen aufgefasst werden Ist jeder Position eine eigene Ziffer oder mehrere zugeordnet hat man im Ergebnis ein Additionssystem An Zyklen der realen Welt angelehnt sind dabei nur Tag Monat und Jahr deren Inkommensurabilitat mit einem betrachtlichen organisatorischen Aufwand z B durch Einfuhrung eines Schaltjahres aufgefangen wird Alle anderen Eigenwilligkeiten der Darstellung sind menschliche mit einer ausserordentlichen Bestandigkeit behaftete Artefakte Donald Knuth An imaginary number system In Communications of the ACM 3 Jahrgang Nr 4 April 1960 S I Khmelnik Specialized digital computer for operations with complex numbers In Questions of Radio Electronics in Russian XII Jahrgang Nr 2 1964 nbsp Dieser Artikel wurde am 23 Januar 2006 in dieser Version in die Liste der lesenswerten 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