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为什么计算机要使用二进制?

“数”是表达事物多少或顺序的一种抽象符号。如果只有少数几个事物,要记录这些“数量”只需要用几个符号就行了,比如1,2,3等。然而,人类早就认识到事物的“数量”其实是无穷无尽的,由于没有办法创造无穷多个符号,于是如何用有限多个符号去记录无穷多个数,就成为一件必要却又极其困难的事情。

人类在记数史上最伟大的创造之一就是进位制或称位值制。世界通用的主要进位制,除了十进制外,还有二进制(计算机通用)、十二进制(英国人很喜欢)和六十进制。

二进制是最简单的进位制,它是由德国数学家莱布尼茨为满足其发明的计算机的需要,而于1678年引入的。在二进制下,逢2进1,因此只需要两个基本符号0和1,二、三分别记为10、11,而四则记为100,等等。比如,二进制中的100101代表十进制中的37。

虽然二进制符号少,但与其他进位制相比,表达同一个数时所需位数较多。比如,9在十进制中只有一位数,而在二进制中却有四位数,记为1001。用二进制表达数字,位数较多,从形式上看不够直观,但在计算上却有许多优点:它的加法与乘法公式分别只有4条:

1+1=10,1+0=1,0+1=1,0+0=0,

1×1=1,0×0=0,0×1=0,1×0=0.

而在十进制中相应的公式却一共有100条。

由于二进制符号少,运算法则简单,莱布尼茨在计算机上就采用了二进制。现代电子计算机仍然采用二进制,其原因还在于,像电路的通电与断电,电容器的充电与放电等具有两种截然不同状态的现象是大量存在的,而这些都可以用来表示二进制的两个符号1和0。

【科学家】莱布尼茨

莱布尼茨(1646—1716),德国17世纪著名的哲学家、数学家。他于1671年发明第一台计算器,1678年发明二进制,1673—1676年创立并发表了微积分思想,与牛顿并列为微积分的创立者。他的研究成果还遍及逻辑学、力学、气体学、化学、地理学、地质学、航海学、动物学、植物学、解剖学、语言学、法学、哲学、历史、外交等。“世界上没有两片完全相同的树叶”就是出自他之口。他还是最早研究中国文化和中国哲学的德国人,对丰富人类的科学知识宝库做出了不可磨灭的贡献。

【知识点】二进制与《易经》

莱布尼茨被认为是二进制的发明人,但他本人承认,最早体现二进制思想的是中国古代的《易经》。《易经》中的八卦采用两个基本符号记录:阴爻用 表示,阳爻用 表示。如果把 对应0, 对应1,则八卦 对应二进制的111,011,101,001,110,010,100,000,因此本质上是二进制。