二進制與計算機事物的多少或者順序,我們可以用一種稱為“數”的符號來表示。事物的數量是無窮的,我們卻不可能創造無數個符號。為了解決這個難題,人們創造了進位制(又叫做位值制),這樣就可以用幾個有限的符號,來表達無窮的數量了。
進位制是人類計數史上最偉大的創造之一?,F在國際通用的主要進位制有十進制、二進制、二十進制和六十進制。其中的二進制是計算機通用的進位制。
八卦:最早提出的二進制思想
中國古人很早就開始使用十進制的計數方法,其數字符號有:一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、百、千、萬、億、兆等。此外,還有與中國的傳統思想、文化和生活有密切關系的符號體系——天干、地支和八卦。
《伏羲之先天八卦圖》
古人用天干和地支表示順序、計時和紀年,天干有10個符號:甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸 。地支也就是我們所說的屬相,有12個動物作為符號:子(鼠)、丑(牛)、 寅(虎)、卯(兔)、辰(龍)、巳(蛇 )、午(馬)、未(羊)、申(猴 )、酉( 雞)、 戌(狗)、亥(豬)。
八卦或許是最古老和神秘的符號,是中國所獨有的一種符號體系。據傳說,在上古時代,伏羲“仰觀天文,俯察地理”,他發現世間萬事萬物,皆陰陽相生相克,而作八卦。其實,八卦是中國古時候人們記錄卜筮結果的符號,其基本結構成分是形似卜筮工具蓍草的“爻”,一個爻有“陽”和“陰”兩種形態,三個爻放在一起就組成一個“卦”,所以總共有23=8種卦,稱為八卦。八卦出現時還沒有文字,因此起初卦沒有名稱。文字出現以后,為了便于使用,人們又補上了卦名:乾、兌、離、震、巽、坎、艮、坤 。把八卦兩兩重疊就組成了六十四卦。算卦的人就用六十四卦來預測兇吉福禍,解釋世間的萬事萬物。流傳至今的《周易》就是一部專門解釋六十四卦的古書,它是由孔子和他的弟子整理而成的。
《周易》六十四卦圖
二進制由1和0排列而成,與十進制一樣,它也能表示任何整數。如若把陽爻當作“1”,把陰爻當作“0”,八卦則可與3位二進制相對應,而六十四卦則可與6位二進制相對應。
1679年,德國哲學家、數學家萊布尼茨寫了一篇《二進制算術》,對二進制及其運算首次給出了比較完整的描述。后來,他拜訪一位曾經到過中國的歐洲傳教士,了解了中國的周易八卦,他對其與二進制數的相似之處極為驚嘆。八卦是利用符號的二元形態來表示事物,這一點與二進制頗為相同,因此說,八卦是古代中國人提出的二進制思想。
二進制是為計算機而發明的
1678年,德國著名數學家布萊尼茨發明了計算機,為了滿足計算機的需要,他引入了二進制。二進制是最為簡單的進位制,僅有1和0兩個基本符號,運用二進制,逢2進1,與其他進位制相比較,同樣一個數,二進制位數比較多。例如,十進制的2對應二進制的10;十進制的4對應二進制的100;十進制的5對應二進制的101;十進制的10對應二進制的1010;十進制的37對應二進制的100101等等。
用二進制表示的數字,雖然位數比較多,看起來還不夠直觀,但計算時卻非常簡單,其加法和乘法公式分別僅有4條,而十進制中相應的公式則有100多條。二進制的加法公式為:
1+1=10, 1+0=1, 0+1= 1,0+0= 0;乘法公式為1x1=1,0x0=0,0x1=0,1x0=0。
從以上的介紹可以看出,二進制的符號較少,運算較簡單,所以萊布尼茨在自己發明的計算機上就采用了二進制?,F在的計算機上依然采用二進制,除了上述原因,另外一種原因是,在計算機上,兩種截然相反狀態的現象是大量存在的,比如電路的通電與斷電,電容器的充電與放電等,這些均可以用二進制的兩個符號1和0 來表示。例如計算機電路的接通用1表示,斷開用0表示。
審校:李志洪