Liczba

Diagram Hassegoprzedstawiający zawieranie się zbiorów i ogólniej – klas liczbowych w sobie. Symbol$\mathbb {X} \subset \mathbb {Y}$oznacza tu, że można skonstruowaćklasęliczb$\mathbb {X}$tak, aby była podklasą klasy$\mathbb {Y}.$Zbiory umieszczone na rysunku powyżej liczb zespolonych noszą wspólną nazwęliczb hiperzespolonych.Na niebiesko oznaczone są rodzaje liczb, które nie tworzą zbiorów, lecz klasy właściwe. Liczby algebraiczne całkowite nie są szczególnym przypadkiem liczb algebraicznych rzeczywistych – to nie jest pomyłka. Zobacz sekcjęLiczby algebraiczne.

Liczba– pojęcie abstrakcyjne, jedno z najczęściej używanych wmatematyce.Pierwotnie liczby służyły do porównywania wielkości zbiorów przedmiotów(liczby naturalne), później także wielkości ciągłych (miary i wagi), obecnie w matematyce są rozważane jako twory abstrakcyjne, w oderwaniu od ewentualnych fizycznych zastosowań.

W matematyce określenie „liczba” bez żadnego przymiotnika jest nieścisłe, gdyż matematycy nie definiują „liczb”, lecz „liczby naturalne”, „liczby całkowite” itp. Poszczególne rodzaje liczb są definiowane za pomocąaksjomatówlub konstruowane z bardziej podstawowych pojęć, jakzbiór,czy typy liczb prostsze od konstruowanego.

Zastosowania

Najprostsze rodzaje liczb, jakliczby naturalneczyrzeczywiste,są w powszechnym użyciu jako oznaczenia ilości przedmiotów (np. pięć jabłek) lub mnożnika pewnejjednostki miary(np. dwa i pół metra). Zapisy liczb naturalnych są używane także jakoidentyfikatory,np.numery telefonów,dróg,PESEL,ISBN.

W matematyce pojęcie liczby zostało rozszerzone z poznawanych w szkole podstawowej liczb naturalnych, wymiernych i rzeczywistych na takie abstrakcje, jakliczby zespolone,p-adyczne,kwaterniony,czysedeniony.Liczby zespolone okazały się przydatne w wielu dziedzinach odgrafiki komputerowej,przezelektronikę,teorię płynów,aż dofizyki kwantowejiteorii względności.Kwaterniony znalazły zastosowanie wgrafice trójwymiarowejdo prostego obliczania obrotów w przestrzeni (zob.współrzędne jednorodne).Liczby p-adyczneznalazły zastosowanie wkryptografii.

Opis intuicyjny

Poniższe opisy w żadnym wypadku nie są ścisłymi definicjami. Liczby są jednak w matematyce definiowane ściśle, i definicje te są przedstawione wwydzielonym artykule.Poniżej podane są opisy tylko kilku najprostszych zbiorów liczbowych.

Liczby naturalne

Najczęściej używanymi liczbami są liczby naturalne. Wśród matematyków istnieją dwie szkoły:

• Jedni uważają, że zero powinno zaliczać się do liczb naturalnych (a więc liczby naturalne to$0,1,2,3,4,\dots$). Takie podejście jest związane z najbardziej „naturalnym” zastosowaniem liczb naturalnych – zliczaniem elementów skończonych zbiorów. W życiu codziennym używa się liczb naturalnych głównie w tym właśnie celu, aby określić liczbę przedmiotów w jakiejś grupie. Zero odpowiada wtedy licznościzbioru pustego.
• Inni uznają, że liczby naturalne zaczynają się od jedynki. Liczba zero weszła do matematyki stosunkowo późno. Dopiero w XVII wieku zero było powszechnie rozpoznawane jako liczba w Europie,być może więc wydaje się „mniej naturalna” od pozostałych liczb naturalnych.

Z punktu widzenia aksjomatyki kwestia zaliczenia zera do liczb naturalnych jest czysto umowna i nie sprawia żadnych problemów pod warunkiem konsekwentnego trzymania się tej umowy podczas rozumowania.

Liczby całkowite

Liczby ujemneto liczby mniejsze od zera. Dla każdej dodatniej liczby (czyli większej od zera) można wskazać liczbę do niej przeciwną, czyli liczbę ujemną leżącą na osi liczbowej w tej samej odległości od zera. Ich suma zawsze daje zero: jeśli na konto wpłynie 100 zł, to w rachunkach można ten fakt zaznaczyć jako 100, wypłatę 100 zł można wtedy oznaczać liczbą ujemną –100. Liczby naturalne$1,2,3,\dots,$zero orazliczby przeciwnedo naturalnych$-1,-2,-3,\dots$znane są właśnie jako liczby całkowite.

Liczby wymierne

Liczby wymierne to intuicyjnieułamkipowstające przez podzielenie liczby całkowitej (zwanejlicznikiem) przez liczbę całkowitą różną od zera (zwanąmianownikiem), np.${\tfrac {-3}{5}}.$Dzielenie przez zerojest operacją niewykonalną.

Ułamek${\tfrac {n}{m}}$dla$0<n\leqslant m$reprezentuje wielkość otrzymaną po podzieleniu całości na$m$równych części, a następnie wybraniu$n$spośród nich. Dwa różne ułamki mogą reprezentować tę samą liczbę wymierną, np.${\tfrac {1}{2}}={\tfrac {2}{4}}.$Dla każdego$c\neq 0$ułamek${\tfrac {a}{b}}$jest równy${\tfrac {ac}{bc}}.$Operację zamiany${\tfrac {a}{b}}$na${\tfrac {ac}{bc}}$nazywa sięrozszerzeniem ułamka,odwrotną zaśskróceniem ułamka.

Jeśli licznik i mianownik są jednocześnie dodatnie lub jednocześnie ujemne, to reprezentowana przez ułamek liczba wymierna jest dodatnia. Jeśli licznik jest zerem, to liczba wymierna jest zerem. Jeśli licznik ma znak przeciwny do znaku mianownika, to liczba wymierna nim wyrażona jest ujemna.

Jeśli$n,m>0$oraz$n>m,$to ułamek reprezentuje liczbę większą od 1. Jeśli$n=km$(gdzie$k$jest liczbą całkowitą), to ułamek reprezentuje liczbę całkowitą$k.$

Liczby wymierne sąuporządkowane liniowo(każde dwie liczby wymierne są porównywalne). Jest to porządek gęsty: między dwiema różnymi liczbami można zawsze znaleźć inną liczbę (a nawet nieskończenie wiele liczb).

Liczby rzeczywiste

Już starożytnipitagorejczycyodkryli, że istnieją liczby, których nie da się przedstawić w postaci ułamka${\tfrac {n}{m}}$(takie jak np.${\sqrt {2}},$czyli długość przekątnej kwadratu o boku jednostkowym), a więc nie są liczbami wymiernymi. Pitagorejczycy czcili liczby jako doskonałość i to odkrycie było dla nich szokiem. Fakt istnienia liczb niewymiernych był ich najgłębiej skrywaną tajemnicą.

Liczby rzeczywiste to liczby wymierne orazliczby niewymierneznajdujące się pomiędzy liczbami wymiernymi, lecz nie dające wyrazić się w postaci ułamka, takie jak${\sqrt {3}}$czyπ.Każdej liczbie rzeczywistej odpowiadapunktnaprostej(tzw.oś liczbowa).

Każda liczba rzeczywista jestpunktem skupieniazbioru liczb wymiernych i liczby wymierne sągęstympodzbioremzbioru liczb rzeczywistych.

Liczby zespolone

Liczby urojoneto liczby, którychkwadratysą niedodatnimi liczbami rzeczywistymi. W szczególności jedną z nich jest tzw.jednostka urojona$i,$dla której$i^{2}=-1.$Żadna liczba urojona oprócz zera nie jest równocześnie liczbą rzeczywistą.

Liczby zespolone to liczby powstające przez zsumowanie liczby rzeczywistej i liczby urojonej, np.$2+3i.$W szczególności liczby rzeczywiste oraz liczby urojone także są liczbami zespolonymi (np.$5=5+0i$). Każdej liczbie zespolonej odpowiada punkt napłaszczyźnie(tzw.płaszczyzna zespolona), a dodawanie i mnożenie są interpretowane geometrycznie.

Liczby zespolone są szczególnymi przypadkamikwaternionów,tessarinówikokwaternionówdla$c=0$i$d=0$

Liczby algebraiczne

Liczba algebraiczna to taka liczba zespolona, która podstawiona do jakiegoświelomianuo wymiernych współczynnikach (np.${\tfrac {3}{5}}x^{5}-4x^{4}+{\tfrac {7}{8}}x^{3}+{\tfrac {1}{116}}x-1$) da w wyniku zero. W szczególności każda liczba wymierna${\tfrac {p}{q}}$jest algebraiczna, bo jest pierwiastkiem wielomianu$qx-p.$

Liczby przestępne

Liczby przestępne to liczby zespolone niebędące algebraicznymi. Słynnymi przykładami liczb przestępnych sąπoraze.

Liczby dualne

Nilpotent$\epsilon$to taki element, że$\epsilon ^{2}=0.$

Liczby dualne powstają analogicznie do liczb zespolonych poprzez zsumowanie części rzeczywistej i wielokrotności nilpotenta. Mają one postać$z=a+b\epsilon,$gdzie$a$i$b$to liczby rzeczywiste.

Liczby podwójne

Przy konstrukcji liczb podwójnych używa się jednostki$\jmath$niebędącej liczbą rzeczywistą. Różni się ona od jednostki urojonej$i$w tym, że$\jmath ^{2}=+1.$

Liczby podwójne powstają poprzez zsumowanie części rzeczywistej i wielokrotności jednostki$\jmath.$Mają one postać$z=a+b\jmath,$gdzie$a$i$b$to liczby rzeczywiste.

Liczby rzeczywiste są szczególnymi przypadkami liczb podwójnych, dla$b=0.$Liczby podwójne są natomiast szczególnymi przypadkami tessarinów i kokwaternionów (ale nie kwaternionów).

Oznaczenia zbiorów liczbowych

W matematyce powszechnie przyjęte są pewne oznaczenia zbiorów liczbowych. W polskich gimnazjach i szkołach średnich korzysta się z symboli nawiązujących do polskich nazw zbiorów, jednak w szkołach wyższych i środowisku naukowym (a także tym i pozostałych artykułach Wikipedii) korzysta się z oznaczeń międzynarodowych.

Zbiór	Oznaczenie „szkolne”	Oznaczenie standardowe	Uwagi
Liczby naturalne bez zera	$\mathbf {N} _{+}$	$\mathbb {N},$czasem$\mathbb {N} _{+}$	rzadziej używane oznaczenia:$\mathbb {N} _{1},\mathbb {N} ^{+},\mathbb {N} _{>0}$
Liczby naturalne z zerem	$\mathbf {N} _{0},$czasem$\mathbf {N}$	$\mathbb {N} _{0},$czasem$\mathbb {N}$	wteorii mnogości$\omega$
Liczby całkowite	$\mathbf {C}$	$\mathbb {Z}$	odniem.Zahlen– liczby
Liczby wymierne	$\mathbf {W}$	$\mathbb {Q}$	odniem.Quotient– iloraz
Liczby niewymierne	czasem$\mathbf {N} \mathbf {W}$	$\mathbb {R} \setminus \mathbb {Q}$
Liczby rzeczywiste	$\mathbf {R}$	$\mathbb {R}$	od ang.real numbers
Liczby algebraiczne		czasem$\mathbb {A}$
Liczby zespolone	$\mathbf {Z}$	$\mathbb {C}$	od ang.complex numbers
Kwaterniony		$\mathbb {H}$	od ang.Hamilton numbers– liczby Hamiltona
Oktoniony		$\mathbb {O}$	znane również jako oktawy Cayleya
Sedeniony		$\mathbb {S}$
Liczby p-adyczne		$\mathbb {Q} _{p}$

Własności algebraiczne

Działaniana liczbach, takie jakdodawanie,odejmowanie,mnożenieczydzielenie,można zdefiniować także w zbiorach, które nie mają z liczbami wiele wspólnego, jaksymetriewielościanóww przestrzeni, o ile tylko działania te będą tam miały podobne właściwości, np. będąprzemienne,czyłączne.Struktury algebraiczne,w których działania mają pewne określone właściwości, posiadają walgebrzewłasne nazwy, takie jakgrupa,pierścieńczyciało.

Liczby na ogół definiowane są krok po kroku. Rozpoczyna się od liczb naturalnych, następnie rozszerza ich algebrę na liczby całkowite, wymierne, rzeczywiste, zespolone…

Struktury algebraiczneliczb całkowitych i wymiernych rozszerzają kolejno strukturę liczb naturalnych tak, aby najprostszedziałania arytmetycznedawały się w nich wykonać dla dowolnych dwóch liczb (z wyjątkiemdzielenia przez zero). Działania takie nazywa siędziałaniami wewnętrznymidanego zbioru liczbowego, gdyż ich wynik zawsze będzie zawarty w tym zbiorze, dlatego mówi się też, że zbiór jestzamknięty ze względu nadanedziałanie.Kolejne rozszerzenia – na liczby rzeczywiste i zespolone – wzbogacają strukturę algebraiczną o dalsze interesujące właściwości.

• Dlaliczb naturalnych(z zerem lub bez niego) działaniami wewnętrznymi są np. dodawanie i mnożenie. Dodanie lub pomnożenie przez siebie dwóch liczb naturalnych daje zawsze liczbę naturalną. Dla dodawania i mnożenia można skonstruować działania odwrotne – odejmowanie i dzielenie. Jednak odejmowanie większej liczby od mniejszej nie daje się wykonać w zbiorze liczb naturalnych, odejmowanie nie jest zatem działaniem wewnętrznym tego zbioru. Podobnie jest z dzieleniem.
• Rozszerzenie liczb naturalnych tak, aby odejmowanie było zawsze wykonalne, daje w rezultaciepierścieńliczb całkowitych.Odejmowanie jest już dla nich działaniem wewnętrznym.
• Powiększenie pierścienia liczb całkowitych tak, aby wykonalne było dzielenie dowolnej liczby całkowitej przez dowolną niezerową liczbę całkowitą, prowadzi do tzw.ciałaliczb wymiernych.Jego działaniami wewnętrznymi są dodawanie, odejmowanie, mnożenie oraz dzielenie przez liczbę niezerową.
• Liczby wymierne nie wyczerpują wszystkich możliwości. Jak już wspomniano wcześniej,przekątnakwadratuo boku jednostkowym ma długość nie dającą się wyrazić liczbą wymierną. Równieżpole powierzchnikołaopromieniujednostkowym nie daje się wyrazić taką liczbą. Pole to można jednak z dowolną dokładnością przybliżyć, pokrywając koło siatką przystających kwadratów o bokach będących liczbami wymiernymi i zliczając pola kwadratów mieszczących się w całości w tym kole. Następnie powtarzając tę operację dla coraz mniejszych kwadratów można utworzyćciągliczb wymiernych coraz lepiej przybliżających pole danego koła. Żądanie, aby dowolna skończonagranica ciąguliczb wymiernych dawała się wyrazić liczbowo, prowadzi do rozszerzenia ciała liczb wymiernych do ciałaliczb rzeczywistych.
• Wielomianyw zbiorze liczb rzeczywistych nie zawsze mająpierwiastkirzeczywiste – matematycy mówią, żeciało liczb rzeczywistych nie jestalgebraicznie domknięte.Na przykład równanie$x^{2}+1=0$nie ma w tym zbiorze rozwiązań. Na mocy twierdzenia, iż każde ciało jest podciałem pewnego ciała algebraicznie domkniętego, zbiór liczb rzeczywistych można rozszerzyć tak, aby każdy wielomian stopnia co najmniej pierwszego jednej zmiennej miał pierwiastek wnowymciele. Powyższa propozycja usprawiedliwia użycie tzw.liczb zespolonych.
• Zbiory liczbowe można rozszerzać w dalszym stopniu otrzymując tzw.liczby hiperzespolone,w tym:kwaterniony,oktawy Cayleyaisedeniony.Zbiory te mają jednak coraz gorsze właściwości algebraiczne: kwaterniony nie tworzą już ciała, ponieważ mnożenie przestaje być przemienne, a w oktawach mnożenie przestaje być nawet łączne. Mimo wszystko liczby te znajdują swoje zastosowania. Więcej na ten temat znajduje się w artykuleaksjomaty i konstrukcje liczb.

Odpowiednie własności działań w podstawowych zbiorach liczbowych zostały ujęte w tabeli (niżej legenda, oznaczenia wprowadzono wyłącznie na potrzeby artykułu):

Zbiór liczbowy	Dodawanie	Odejmowanie	Mnożenie	Dzielenie
Liczby naturalne bez zera	$_{\mathbf {WPL--} }$	$_{\mathbf {-----} }$	$_{\mathbf {WPLN-} }$	$_{\mathbf {---no} }$
Liczby naturalne z zerem	$_{\mathbf {WPLN-} }$	$_{\mathbf {---nO} }$	$_{\mathbf {WPLN-} }$	$_{\mathbf {---no} }$
Liczby całkowite	$_{\mathbf {WPLNO} }$	$_{\mathbf {W--nO} }$	$_{\mathbf {WPLN-} }$	$_{\mathbf {---no} }$
Liczby wymierne	$_{\mathbf {WPLNO} }$	$_{\mathbf {W--nO} }$	$_{\mathbf {WPLNo} }$	$_{\mathbf {w--no} }$
Liczby rzeczywiste	$_{\mathbf {WPLNO} }$	$_{\mathbf {W--nO} }$	$_{\mathbf {WPLNo} }$	$_{\mathbf {w--no} }$
Liczby zespolone	$_{\mathbf {WPLNO} }$	$_{\mathbf {W--nO} }$	$_{\mathbf {WPLNo} }$	$_{\mathbf {w--no} }$

Symbol	Własność	Definicja
Legenda:$\diamondsuit$oznacza opisywane działanie,$X$to dany zbiór liczbowy
$_{\mathbf {W} }$	Zamkniętośćzbioru na działanie.	$\bigwedge _{a,b\in X}a\diamondsuit b\in X$
$_{\mathbf {w} }$	Zamkniętośćzbioru na dzielenie z wyłączeniem dzielenia przez zero.	$\bigwedge _{a\in X}\bigwedge _{b\in X\setminus \{0\}}{\tfrac {a}{b}}\in X$
$_{\mathbf {p} }$	Przemiennośćdziałania	$\bigwedge _{a,b\in X}a\diamondsuit b=b\diamondsuit a$
$_{\mathbf {L} }$	Łącznośćdziałania	$\bigwedge _{a,b,c\in X}a\diamondsuit (b\diamondsuit c)=(a\diamondsuit b)\diamondsuit c$
$_{\mathbf {N} }$	Obustronnyelement neutralny$e$działania w tym zbiorze.	$\bigvee _{e\in X}\bigwedge _{a\in X}e\diamondsuit a=a\diamondsuit e=a$
$_{\mathbf {n} }$	Wyłącznie prawostronnyelement neutralnydla wszystkich elementów zbioru.	$\bigwedge _{a\in X}a\diamondsuit e=a$
$_{\mathbf {O} }$	Obustronnyelement odwrotnydla wszystkich elementów zbioru.	$\bigwedge _{a\in X}\bigvee _{b\in X}a\diamondsuit b=b\diamondsuit a=e,$gdzie$e$jest elementem neutralnym
$_{\mathbf {o} }$	Obustronnyelement odwrotnydla wszystkich niezerowych elementów zbioru.	$\bigwedge _{a\in X\setminus \{0\}}\bigvee _{b\in X}a\diamondsuit b=b\diamondsuit a=e,$gdzie$e$jest elementem neutralnym

Rodzaje struktur algebraicznych tworzonych przez poszczególne zbiory liczbowe z odpowiednimi działaniami:

• Dodawanie w zbiorze liczb naturalnych bez zera (jako działaniem łącznym i wewnętrznym) jest przykładem tzw.półgrupy.
• W zbiorze liczb naturalnych z zerem istnieje dodatkowo element neutralny dodawania (zero), w związku z czym ten zbiór z dodawaniem stanowi tzw.monoid.
• W zbiorze liczb całkowitych i szerszych, dodawanie jest odwracalne (dla każdego elementu$x$istnieje element$y$taki, że$x+y=0;$element ten nazywa sięelementem przeciwnymdo$x$i oznacza przez$-x$). Zatem zbiór liczb całkowitych z dodawaniem tworzygrupę przemienną.
• Mnożenie we wszystkich tych zbiorach jest łączne, wewnętrzne i ma dokładnie jeden element neutralny, działanie to jednak nie jest odwracalne (zero nie ma elementu odwrotnego). Tworzy więcmonoid.
• Dodawanie i mnożenie razem tworzą w zbiorze liczb naturalnych tzw.półpierścień
• Zbiór liczb całkowitych z dodawaniem i mnożeniem tworzydziedzinę całkowitości.
• Począwszy od liczb wymiernych, zbiory z dodawaniem i mnożeniem razem tworzą już ciało – mnożenie z wyłączeniem zera jest odwracalne.
• Zbiory liczb wymiernych, rzeczywistych i zespolonych bez zera z mnożeniem tworzą grupę przemienną.
• Zbiór liczb rzeczywistych tworzyprzestrzeń liniowąnad ciałem liczb wymiernych.
• Ciało liczb rzeczywistych (i każde jego podciało) jestciałem formalnie rzeczywistym,tj. element przeciwny jedynki nie jest sumą kwadratów niezerowych elementów ciała:$\bigwedge _{x_{1},\dots,x_{n}\in \mathbb {R} \setminus \{0\}}x_{1}^{2}+\ldots +x_{n}^{2}\neq -1.$
• Ciało$\mathbb {R}$liczb rzeczywistych i ciało$\mathbb {A} \cap \mathbb {R}$liczb rzeczywistych algebraicznych są ciałamirzeczywiście domkniętymi:, tj. są ciałami formalnie rzeczywistymi, które nie posiadają rozszerzenia algebraicznego będącego ciałem formalnie rzeczywistym.
• Zbiór liczb zespolonych tworzy przestrzeń liniową nad ciałem liczb rzeczywistych.
• Ciało$\mathbb {C}$liczb zespolonych i ciało$\mathbb {A}$liczb algebraicznych są ciałamialgebraicznie domkniętymi,tzn. każdywielomianstopniaco najmniej pierwszego jednej zmiennej ze współczynnikami w$\mathbb {C}$albo$\mathbb {A}$ma pierwiastek w odpowiednym ciele. W szczególności istnieje$z\in \mathbb {C}$takie, że$z^{2}=-1.$W ciele liczb zespolonych istnieją dokładnie dwie liczby o tej własności oznaczane$i$oraz$-i.$

Moce zbiorów liczbowych

Zbiory liczb naturalnych, całkowitych, wymiernych oraz algebraicznych są równoliczne, czyli mają tę samąmoc;oznacza się ją za pomocąhebrajskiej literyalefz zerem w indeksie (czyt.alef-zero), czyli$\aleph _{0}.$

Zbiory o mocy nie większej niż$\aleph _{0}$(w szczególnościzbiory skończone) nazywane sązbiorami przeliczalnymi.

Zbiory liczb rzeczywistych, zespolonych, kwaternionów, oktonionów, sedenionów oraz liczb p-adycznych mają większą moc–continuum– oznaczaną symbolem${\mathfrak {c}}.$Kwestia, czy pomiędzy liczbą kardynalną$\aleph _{0}$a${\mathfrak {c}}$jest jakakolwiek inna liczba kardynalna (hipoteza continuum), okazała się niemożliwa do wyprowadzenia z pozostałychaksjomatów teorii mnogości.

Liczby kardynalne i opisane dalej liczby porządkowe nie tworzą w ogóle zbiorów. Założenie, że można utworzyć zbiór wszystkich liczb kardynalnych lub porządkowych, prowadzi do sprzeczności (paradoks Buralego-Fortiego).

Systemy liczbowe

System liczbowy to zbiór reguł do jednolitego zapisywania liczb. Generalnie systemy liczbowe można podzielić napozycyjneiaddytywne.

System zapisu liczb prekolumbijskichMajówopierał się na systemie piątkowym dla liczb 0–19. Większe liczby zapisywano używając potęg dwudziestki i powyższych symboli jako cyfr systemu dwudziestkowego

Pozycyjne systemy liczbowe

Wpozycyjnych systemach liczbowychten sam symbol (cyfra) ma różną wartość w zależności od pozycji, jaką zawiera w danej liczbie. Na przykład w dziesiętnym zapisie liczby 11, pierwsza jedynka ma wartość 10, a druga 1, ze względu na inną ich pozycję w zapisie liczby.

Przykłady:

• dziesiętny system liczbowy,który jest współcześnie w powszechnym użyciu

  $109_{10}=1\cdot 10^{2}+0\cdot 10^{1}+9\cdot 10^{0}$

• dwójkowy system liczbowy,czyli o podstawie 2, stosowany welektronice cyfrowej,np. wkomputerach.Przyczyną jest prostsza budowa i większa odporność na błędybramek logicznych(elementów z których budowany jestukład cyfrowy) przy mniejszej liczbie możliwych stanów. Ponieważ najmniejsza użyteczna liczba stanów to dwa, więc najtaniej i najprościej zbudować układy cyfrowe oparte na systemie dwójkowym.

  $10011101_{2}=1\cdot 2^{7}+0\cdot 2^{6}+0\cdot 2^{5}+1\cdot 2^{4}$$+1\cdot 2^{3}+1\cdot 2^{2}+0\cdot 2^{1}+1\cdot 2^{0}=157_{10}$

• szesnastkowy system liczbowy,w którym liczbom 10 do 15 odpowiadają cyfry oznaczane pierwszymi (małymi lub dużymi) literami alfabetu. Najczęściej używany w informatyce ze względu na oszczędność miejsca przy notowaniu, ponieważ każdybajtmoże być zakodowany dwiema cyframi szesnastkowymi oraz łatwe konwersje do/z systemu dwójkowego – cyfrze szesnastkowej odpowiadają cztery cyfry dwójkowe (z podobnych względów używa się czasemósemkowego systemu liczbowego).

  $1AF_{16}=1\cdot 16^{2}+10\cdot 16^{1}+15\cdot 16^{0}=431_{10}$

W pozycyjnych systemach liczbowych o podstawie$k$każda nieujemna liczba rzeczywista$x$może być rozwinięta przy pomocy szeregu:

$x=c_{n}k^{n}+c_{n-1}k^{n-1}+\ldots +c_{1}k+c_{0}+c_{-1}k^{-1}+c_{-2}k^{-2}+\ldots$

gdzie$c_{i}$to cyfry będące liczbami naturalnymi z przedziału od 0 do$k-1.$

Skrótowo liczbę nieujemną zapisuje się jako$c_{n}c_{n-1}\ldots c_{1}c_{0},c_{-1}c_{-2}\ldots$W krajach anglosaskich zamiast przecinka zarezerwowanego do oddzielania tysięcy używana jest kropka. Dla liczb ujemnych zapisujemy ichmoduł,dodając z przodu znak$-,$np.$-25,4$.Przez analogię dla liczb dodatnich można dodać z przodu znak$+.$W księgowości stosuje się też inne notacje, na przykład liczby ujemne ujmuje się w nawiasy.

Liczby rzeczywiste często wymagają nieskończenie wielu cyfr do swego zapisu. Zapis liczb wymiernych zawsze wykazuje okresowość, to znaczy od pewnego momentu ciąg cyfr zaczyna się cyklicznie powtarzać. Liczby naturalne są zapisywane skończoną liczbą cyfr, gdyż wszystkie cyfry$c_{i}$dla$i<0$są zerami, więc ich zapis można pominąć.

Addytywne systemy liczbowe

Waddytywnych systemach liczbowychsymbole mają zawsze tę samą wartość, a liczbę uzyskuje się przez ich sumowanie. Tym samym musi ich być odpowiednio więcej. Przykłady:

• rzymski system liczbowy– używany śladowo do dziś, np. do zapisu stulecia.

Reprezentacje liczb w informatyce

Dane wpamięci komputerai wplikachzapisane są w postaci ciągu tak zwanychbajtów.Każdy bajt składa się z ośmiu cyfr systemu dwójkowego (0 lub 1), zwanychbitami.Pojedynczy bajt może przyjmować jeden z$2^{8}=256$stanów. Powstaje konieczność zakodowania liczb w postaci ciągu bajtów, tak aby komputery mogły je przetwarzać. Można to zrobić na wiele sposobów, jednak w praktyce używanych jest kilka standardów:

Liczby naturalne

Typobejmujący przedział liczb naturalnych z zerem zwany jest w informatyceliczbami bez znaku(ang.unsigned integers). W informatyce zawsze zalicza się zero do liczb bez znaku i – w odróżnieniu od matematyki – elementyciągu,zwanego tutablicą jednowymiarową,w najpopularniejszychjęzykachnumeruje się konsekwentnie od zera.

Liczby naturalne z przedziału 0–255 można po prostu zakodować jako wartość jednego bajta.

Na dwóch bajtach można już zapisać liczby naturalne z przedziału 0–65 535 (mamy do dyspozycji$65\ 536=256^{2}$stanów). Każdą taką liczbę można zapisać w postaci$x=256h+l,$gdzie$h$oraz$l$to wartości tzw.starszego bajtaimłodszego bajta,z przedziału od 0 do 255 każda. Wartości te można zapisać w pamięci na dwa sposoby: albo pierwszy jest starszy bajt, a drugi młodszy (tzw. notacjabig endian), albo odwrotnie (little endian). W procesorach kompatybilnych z architekturąIntela(czyli np. w komputerachPC) stosowana jest notacjalittle endian,a w wielu innych procesorach (np. na większości rozwiązań serwerowych)big endian.Istnieją także procesory, w których kolejność bajtów można zmieniać. Jednak kolejność ta nie ma większego znaczenia, dopóki nie zapiszemy liczby do pliku albo nie prześlemy jej siecią i nie przeniesiemy w ten sposób na komputer stosujący inny standard. Z tego powodu np. maszyny wirtualneJavawykorzystują w plikach formatbig endianniezależnie od procesora.

Na czterech bajtach można zapisać liczby z przedziału od 0 do 4 294 967 295. Analogicznie jak poprzednio, przedstawienie danej liczby w systemie 256-kowym pozycyjnym jako$x=256^{3}a_{3}+256^{2}a_{2}+256a_{1}+a_{0}$uzyskuje się cztery bajty$a_{3},a_{2},a_{1},a_{0}.$Kolejność ich zapisu w pamięci, tak jak poprzednio, zależy od procesora – w przypadkulittle endianod bajta$a_{0}$do$a_{3},$w przypadkubig endian– odwrotnie.

Do niektórych zastosowań konieczne są jeszcze większe liczby naturalne, np. zapisywane na 8 bajtach (w rodzinie języków C oznaczaneunsigned _int64lubunsigned long long int).

Istnieją także inne sposoby zapisu liczb naturalnych, bardzo rzadko jednak stosowane. Należy do nichkod BCD(od ang.binary coded decimal), gdzie kolejne cyfry dziesiętne są zapisywane w kolejnych półbajtach (inaczejnibblach,porcjach danych długości 4 bitów). Komplikuje to arytmetykę, ale upraszcza przeliczanie na system dziesiętny, kod BCD jest więc czasem stosowany w licznikach cyfrowych.

Liczby całkowite

Typ obejmujący przedział liczb całkowitych zwany jest w informatyceliczbami ze znakiem(ang.signed integers).

Stosuje się tu tzw.kod uzupełnień do dwóch(ZU2). Liczba$x,$która ma zostać zapisana w postaci$n$bajtów jest przekształcana w następujący sposób:

$x'={\begin{cases}x&{\text{dla }}x\geqslant 0\\256^{n}+x&{\text{dla }}x<0\end{cases}}$

Następnie liczba$x'$jest zapisywana jako liczba naturalna. W ten sposób na jednym bajcie można zapisywać liczby z przedziału od$-128$do$127,$na dwóch od$-32\,768$do$32\,767,$i ogólnie na$n$bajtach liczby od$-2^{8n-1}$do$2^{8n-1}-1$włącznie.

Istnieją również inne metody zapisu (np.kod uzupełnień do jedności), obecnie jednak nie stosowane.

W celu zapisywania dużych liczb naturalnych lub całkowitych buduje się odpowiednieklasy,np.java.math.BigIntegerw językuJava

Liczby rzeczywiste

Liczby rzeczywiste mogą być zapisywane jako:

• liczby stałoprzecinkowe,kiedy liczba mnożona jest przez pewną ustaloną z góry stałą, po czymzaokrąglanado najbliższej liczby całkowitej i jako taka zapisywana;
• liczby zmiennoprzecinkowe,gdy stała ta dobierana jest w zależności od kodowanej liczby, co czyni tę metodę bardziej uniwersalną.

Powszechnie stosuje się zmiennoprzecinkowy zapis liczby rzeczywistej w standardzieIEEE 754.Przybliżenie liczby rzeczywistej jest zapisywane w postaci$x=s\cdot 2^{w}\cdot m,$gdzie$s\in \{1,-1\}$jest nazywanyznakiem,$w$–wykładnikiem,a$m\in [0,1)$–mantysą.Zero, które można by zakodować na wiele sposobów jest kodowane jako$s=+1,w=0,m=0$

Znak jest zapisywany jako jeden bit, równy 0 dla$s=+1$i 1 dla$s=-1.$Wykładnik jest zapisywany jak każda inna liczba całkowita w kodzie uzupełnień do dwóch. Mantysa jest mnożona przez$2^{f},$gdzie$f$to liczba bitów przeznaczona na nią i zapisywana jako liczba naturalna.

Całość zajmuje kolejnych 4, 8 albo 16 bajtów (w zależności od wymaganej precyzji). Ich kolejność umieszczenia w pamięci jest zależna od procesora, identycznie jak w przypadku liczb naturalnych i całkowitych.

Liczby zespolone i kwaterniony

Niektórejęzyki programowaniaposiadają arytmetykę liczb zespolonych. W nowoczesnych językach zwykle jest to realizowane za pomocą odpowiednich klas, np.Complexze standardowej bibliotekiC++.Jedną z przyczyn dawnej popularnościFortranubył fakt, iż język ten jako pierwszy posiadałtypliczb zespolonych.

Klasa obsługująca kwaterniony zdefiniowana jest w pakiecieDirectX,będąc sposobem na użycie tzw.współrzędnych jednorodnychdo opisupunktówmodelowanejprzestrzenitrójwymiarowej(wierzchołkówtrójwymiarowejsceny) wgrafice 3D;podobne typy istnieją również w innych pakietach grafiki trójwymiarowej.

Zobacz też

• cyfra
• znak liczby
• moc zbioru
• liczebniki główne potęg tysiąca

liczby

algebraiczne automorficzne bliźniacze całkowite doskonałe dualne Fermata Fibonacciego kardynalne kwaterniony Mersenne’a naturalne niewymierne oktawy Cayleya p-adyczne parzyste i nieparzyste

pierwsze piramidalne podobieństwa podwójne porządkowe nadrzeczywiste półpierwsze przestępne rzeczywiste ujemne urojone wymierne zaprzyjaźnione zespolone złożone

• Występowanie tekstu„liczba” w tytułach artykułów i w przekierowaniach
• Artykuły i przekierowania do artykułów zaczynające się od „liczba”
• Występowanie tekstu„liczby” w tytułach artykułów i w przekierowaniach
• Artykuły i przekierowania do artykułów zaczynające się od „liczby”

Literatura dodatkowa

• Jerzy Klukowski, I. Nabiałek:Algebra dla studentów.Wyd. 4.Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,2004.ISBN83-204-3124-7.Brak numerów stron w książce
• Franciszek Leja:Rachunek różniczkowy i całkowy.Warszawa:Państwowe Wydawnictwo Naukowe,1976.Brak numerów stron w książce
• Krzysztof Maurin:Analiza – Część I – Elementy.Warszawa: PWN, 1976.Brak numerów stron w książce
• Helena Musielak, Julian Musielak:Analiza matematyczna.Poznań:Wydawnictwo Naukowe UAM,2000.ISBN83-232-1049-7.Brak numerów stron w książce
• Fritz Reinhardt, Heinrich Soeder:Atlas matematyki.Prószyński i S-ka,2003.ISBN83-7469-189-1.Brak numerów stron w książce
• Jerzy Rutkowski:Algebra abstrakcyjna w zadaniach.Wyd. 5. PWN, 2006.ISBN83-01-14388-6.Brak numerów stron w książce
• J. Widomski:Ontologia liczby.Kraków: 1996.Brak numerów stron w książce

Wyprowadzenie wszystkich algebr liczbowych od liczb naturalnych do oktaw Cayleya włącznie, w sposób zrozumiały dla uczniów gimnazjum, znajduje się w książce:

• Bogdan Miś:Tajemnicza liczba e i inne sekrety matematyki.Warszawa:Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,1989.Brak numerów stron w książce

Linki zewnętrzne

• Numbers(ang.),Routledge Encyclopedia of Philosophy,rep.routledge.com [dostęp 2023-05-10].