Комплексно-базовая система - Complex-base system

В арифметика, а комплексно-базовая система это позиционная система счисления чья основание является воображаемый (предложено Дональд Кнут в 1955 г.^[1][2]) или комплексное число (предложен С. Хмельником в 1964 г.^[3] и Уолтер Ф. Пенни в 1965 г.^[4][5][6]).

В общем

Позволять ${displaystyle D}$ быть область целостности ${displaystyle subset mathbb {C} }$, и ${displaystyle |cdot |}$ то (Архимедово) абсолютное значение в теме.

Число ${displaystyle Xin D}$ в позиционной системе счисления представляется как расширение

${displaystyle X=pm sum _{u }^{}x_{u }ho ^{u },}$

где

${displaystyle ho in D}$		это основание (или база) с участием ${displaystyle |ho |>1}$,
${displaystyle u in mathbb {Z} }$		- показатель степени (позиция или место),
${displaystyle x_{u }}$		цифры из конечный набор цифр ${displaystyle Zsubset D}$, обычно с ${displaystyle |x_{u }|<|ho |.}$

В мощность ${displaystyle R:=|Z|}$ называется уровень разложения.

Позиционная система счисления или система кодирования пара

${displaystyle leftlangle ho ,Zightangle }$

с основанием ${displaystyle ho }$ и набор цифр ${displaystyle Z}$, и запишем стандартный набор цифр с ${displaystyle R}$ цифры как

${displaystyle Z_{R}:={0,1,2,dotsc ,{R-1}}.}$

Желательны системы кодирования с функциями:

• Каждый номер в ${displaystyle D}$, е. г. целые числа ${displaystyle mathbb {Z} }$, то Гауссовские целые числа ${displaystyle mathbb {Z} [mathrm {i} ]}$ или целые числа ${displaystyle mathbb {Z} [{ frac {-1+mathrm {i} {sqrt {7}}}{2}}]}$, является однозначно представимый как конечный код, возможно, с знак ±.
• Каждый номер в поле дробей ${displaystyle K:=operatorname {Quot} (D)}$, что, возможно, завершено для метрика данный ${displaystyle |cdot |}$ уступающий ${displaystyle K:=mathbb {R} }$ или ${displaystyle K:=mathbb {C} }$, представима в виде бесконечного ряда ${displaystyle X}$ который сходится под ${displaystyle |cdot |}$ для ${displaystyle u o -infty }$, а мера набора чисел с более чем одним представлением равно 0. Последнее требует, чтобы набор ${displaystyle Z}$ быть минимальным, т.е. ${displaystyle R=|ho |}$ для действительные числа и ${displaystyle R=|ho |^{2}}$ для комплексных чисел.

В реальных цифрах

В этих обозначениях наша стандартная схема десятичного кодирования обозначается

${displaystyle leftlangle 10,Z_{10}ightangle ,}$

стандартная двоичная система

${displaystyle leftlangle 2,Z_{2}ightangle ,}$

то негабаритный система

${displaystyle leftlangle -2,Z_{2}ightangle ,}$

и сбалансированная тройная система^[2] является

${displaystyle leftlangle 3,{-1,0,1}ightangle .}$

Все эти системы кодирования имеют указанные особенности для ${displaystyle mathbb {Z} }$ и ${displaystyle mathbb {R} }$, а последние два знака не требуют.

В комплексных числах

Хорошо известные позиционные системы счисления для комплексных чисел включают следующие (${displaystyle mathrm {i} }$ будучи мнимая единица ):

• ${displaystyle leftlangle {sqrt {R}},Z_{R}ightangle }$, например ${displaystyle leftlangle pm mathrm {i} {sqrt {2}},Z_{2}ightangle }$ ^[1] и

${displaystyle leftlangle pm 2mathrm {i} ,Z_{4}ightangle }$,^[2] то четвертичная мнимая база, предложено Дональд Кнут в 1955 г.

• ${displaystyle leftlangle {sqrt {2}}e^{pm { frac {pi }{2}}mathrm {i} }=pm mathrm {i} {sqrt {2}},Z_{2}ightangle }$ и

${displaystyle leftlangle {sqrt {2}}e^{pm { frac {3pi }{4}}mathrm {i} }=-1pm mathrm {i} ,Z_{2}ightangle }$^[3][5] (см. также раздел База -1 ± я ниже).

• ${displaystyle leftlangle {sqrt {R}}e^{mathrm {i} varphi },Z_{R}ightangle }$, где ${displaystyle varphi =pm arccos {(-eta /(2{sqrt {R}}))}}$, ${displaystyle eta <min(R,2{sqrt {R}})}$ и ${displaystyle eta _{}^{}}$ положительное целое число, которое может принимать несколько значений в заданном ${displaystyle R}$.^[7] Для ${displaystyle eta =1}$ и ${displaystyle R=2}$ это система

${displaystyle leftlangle { frac {-1+mathrm {i} {sqrt {7}}}{2}},Z_{2}ightangle .}$

• ${displaystyle leftlangle 2e^{{ frac {pi }{3}}mathrm {i} },A_{4}:=left{0,1,e^{{ frac {2pi }{3}}mathrm {i} },e^{-{ frac {2pi }{3}}mathrm {i} }ight}ightangle }$.^[8]
• ${displaystyle leftlangle -R,A_{R}^{2}ightangle }$, где множество ${displaystyle A_{R}^{2}}$ состоит из комплексных чисел ${displaystyle r_{u }=alpha _{u }^{1}+alpha _{u }^{2}mathrm {i} }$, и числа ${displaystyle alpha _{u }^{}in Z_{R}}$, например

${displaystyle leftlangle -2,{0,1,mathrm {i} ,1+mathrm {i} }ightangle .}$^[8]

• ${displaystyle leftlangle ho =ho _{2},Z_{2}ightangle }$, где ${displaystyle ho _{2}={egin{cases}(-2)^{ frac {u }{2}}&{ ext{if }}u { ext{ even,}}(-2)^{ frac {u -1}{2}}mathrm {i} &{ ext{if }}u { ext{ odd.}}end{cases}}}$ ^[9]

Бинарные системы

Двоичный системы кодирования комплексных чисел, т.е. системы с цифрами ${displaystyle Z_{2}={0,1}}$, представляют практический интерес.^[9]Ниже перечислены некоторые системы кодирования. ${displaystyle langle ho ,Z_{2}angle }$ (все являются частными случаями систем выше) и соотв. коды для (десятичных) чисел −1, 2, −2, я. Стандартная двоичная система (для которой требуется знак, первая строка) и «негабинарная» система (вторая строка) также перечислены для сравнения. У них нет настоящего расширения для я.

Некоторые основы и некоторые представления^[10]

Radix	–1 ←	2 ←	–2 ←	я ←	Двойня и тройня
2	–1	10	–10	я	1 ←	0.1 = 1.0
–2	11	110	10	я	1/3 ←	0.01 = 1.10
${displaystyle mathrm {i} {sqrt {2}}}$	101	10100	100	10.101010100...[11]	${displaystyle {frac {1}{3}}+{frac {1}{3}}mathrm {i} {sqrt {2}}}$ ←	0.0011 = 11.1100
${displaystyle {frac {-1+mathrm {i} {sqrt {7}}}{2}}}$	111	1010	110	11.110001100...[11]	${displaystyle {frac {3+mathrm {i} {sqrt {7}}}{4}}}$ ←	1.011 = 11.101 = 11100.110
${displaystyle ho _{2}}$	101	10100	100	10	1/3 + 1/3я ←	0.0011 = 11.1100
–1+я	11101	1100	11100	11	1/5 + 3/5я ←	0.010 = 11.001 = 1110.100
2я	103	2	102	10.2	1/5 + 2/5я ←	0.0033 = 1.3003 = 10.0330 = 11.3300

Как и во всех позиционных системах счисления с Архимедов абсолютная величина, есть числа с несколько представлений. Примеры таких номеров приведены в правом столбце таблицы. Все они повторяющиеся дроби с повторяющимся узлом, отмеченным горизонтальной линией над ним.

Если набор цифр минимальный, то набор таких чисел имеет мера из 0. Так обстоит дело со всеми упомянутыми системами кодирования.

Почти двоичная четвертичная мнимая система указана в нижней строке для сравнения. Там реальная и мнимая части чередуются друг с другом.

База −1 ± я

Комплексные числа с целой частью, все нули в базе я – 1 система

Особый интерес представляют четвертичная мнимая база (база 2я) и база −1 ± я обсуждаемых ниже систем, обе из которых могут использоваться для конечного представления Гауссовские целые числа без знака.

База −1 ± я, используя цифры 0 и 1, был предложен С. Хмельником в 1964 г.^[3] и Уолтер Ф. Пенни в 1965 г.^[4][6] Область округления целого числа, т. Е. Набора ${displaystyle S}$ комплексных (нецелых) чисел, которые разделяют целую часть своего представления в этой системе, - имеет в комплексной плоскости фрактальную форму: двойник (см. рисунок). Этот набор ${displaystyle S}$ это по определению все точки, которые можно записать как ${displaystyle extstyle sum _{kgeq 1}x_{k}(mathrm {i} -1)^{-k}}$ с участием ${displaystyle x_{k}in Z_{2}}$. ${displaystyle S}$ можно разложить на 16 частей, соответствующих ${displaystyle { frac {1}{4}}S}$. Обратите внимание, что если ${displaystyle S}$ повернут против часовой стрелки на 135 °, получаем два соседних множества, конгруэнтных ${displaystyle { frac {1}{sqrt {2}}}S}$, потому что ${displaystyle (mathrm {i} -1)S=Scup (S+1)}$. Прямоугольник ${displaystyle Rsubset S}$ в центре пересекает оси координат против часовой стрелки в следующих точках: ${displaystyle { frac {2}{15}}gets 0.{overline {00001100}}}$, ${displaystyle { frac {1}{15}}mathrm {i} gets 0.{overline {00000011}}}$, и ${displaystyle -{ frac {8}{15}}gets 0.{overline {11000000}}}$, и ${displaystyle -{ frac {4}{15}}mathrm {i} gets 0.{overline {00110000}}}$. Таким образом, ${displaystyle S}$ содержит все комплексные числа с абсолютным значением ≤1/15.^[12]

Как следствие, возникает инъекция сложного прямоугольника

${displaystyle [-{ frac {8}{15}},{ frac {2}{15}}] imes [-{ frac {4}{15}},{ frac {1}{15}}]mathrm {i} }$

в интервал ${displaystyle [0,1)}$ действительных чисел путем сопоставления

${displaystyle extstyle sum _{kgeq 1}x_{k}(mathrm {i} -1)^{-k}mapsto sum _{kgeq 1}x_{k}b^{-k}}$

с участием ${displaystyle b>2}$.^[13]

Кроме того, есть два отображения

${displaystyle {egin{array}{lll}Z_{2}^{mathbb {N} }& o &Sleft(x_{k}ight)_{kin mathbb {N} }&mapsto &sum _{kgeq 1}x_{k}(mathrm {i} -1)^{-k}end{array}}}$

и

${displaystyle {egin{array}{lll}Z_{2}^{mathbb {N} }& o &[0,1)left(x_{k}ight)_{kin mathbb {N} }&mapsto &sum _{kgeq 1}x_{k}2^{-k}end{array}}}$

и то и другое сюръективный, которые порождают сюръективное (таким образом, заполняющее пространство) отображение

${displaystyle [0,1)qquad o qquad S}$

что, однако, не непрерывный и поэтому не а заполнение пространства кривая. Но очень близкий родственник, Дракон Дэвиса-Кнута, является непрерывной кривой, заполняющей пространство.

Смотрите также

• Кривая дракона

использованная литература

1. Кнут, Д. (1960). «Мнимая система счисления». Коммуникации ACM. 3 (4): 245–247. Дои:10.1145/367177.367233.
2. Кнут, Дональд (1998). «Позиционные системы счисления». Искусство компьютерного программирования. Том 2 (3-е изд.). Бостон: Эддисон-Уэсли. п. 205. ISBN  0-201-89684-2. OCLC  48246681.
3. Хмельник, С.И. (1964). «Специализированная цифровая вычислительная машина для операций с комплексными числами». Вопросы радиоэлектроники.. XII (2).
4. W. Penney, «Двоичная» система для комплексных чисел, JACM 12 (1965) 247-248.
5. Джамиль, Т. (2002). «Сложная двоичная система счисления». Возможности IEEE. 20 (5): 39–41. Дои:10.1109/45.983342.
6. Дуда, Ярек (24 февраля 2008 г.). «Сложные основные системы счисления». arXiv:0712.1309 [math.DS ].
7. Хмельник, С.И. (1966). «Позиционное кодирование комплексных чисел». Вопросы радиоэлектроники. XII (9).
8. Хмельник, С.И. (2004). Кодирование комплексных чисел и векторов (PDF). Израиль: Математика в компьютере. ISBN  978-0-557-74692-7.
9. Хмельник, С.И. (2001). Метод и система обработки комплексных чисел. Патент США, US 2003154226 (A1).
10. Уильям Дж. Гилберт, "Арифметика в комплексных основах" Mathematics Magazine Vol. 57, No. 2, март 1984 г.
11. бесконечная неповторяющаяся последовательность
12. Кнут 1998 стр.206
13. База ${displaystyle b=2}$ нельзя брать, потому что оба, ${displaystyle extstyle 2^{-1}=0.1_{ ext{bin}}=0.5_{ ext{dec}}}$ и ${displaystyle extstyle sum _{kgeq 2}2^{-k}=0.0{overline {1}}_{ ext{bin}}=0.1_{ ext{bin}}=0.5_{ ext{dec}}}$. Однако, ${displaystyle extstyle (mathrm {i} -1)^{-1}=-0.1_{ ext{bin}}-0.1_{ ext{bin}}mathrm {i} =-0.5_{ ext{dec}}-0.5_{ ext{dec}}mathrm {i} }$ неравно ${displaystyle extstyle sum _{kgeq 2}(mathrm {i} -1)^{-k}=0.1_{ ext{dec}}+0.3_{ ext{dec}}mathrm {i} }$.

внешние ссылки

• "Системы счисления с использованием комплексной базы "Ярек Дуда, Вольфрам Демонстрационный проект
• "Граница периодических систем с итерационными функциями. "Ярек Дуда, Вольфрам Демонстрационный проект
• "Системы счисления в 3D "Ярек Дуда, Вольфрам Демонстрационный проект