平衡三进制小数详解与进制转换

        标准三进制是“逢三进一,退一还三”的机制,平衡三进制与之类似,但就是偏移了一下变得对称了,平衡三进制与标准三进制可以相互转换,但这样显得有点多余了,所以这里只讲平衡三进制与十进制的转换。

数字系统的由来

远古时代:原始人通过绳子系绳结、在石头或木头上刻划痕的方式来记数,这种计数方法简单,但难数,时间过久了就难以分清那个是那个了。

非位置化数字系统:罗马数字(经典代表),罗马数字共有7个,分别是Ⅰ(1)、Ⅴ(5)、Ⅹ(10)、Ⅼ(50)、Ⅽ(100)、Ⅾ(500)和Ⅿ(1000),若为ⅤⅤⅤ则表示15。

位置化数字系统:现在用的基本都是这个,如:二进制、平衡三进制、十进制等,计算金钱的用的也是位置化数字系统,它与我们的生活息息相关。

位置化系统的位权

        以小数点为分界线,整数的第一位为0,向前一位为1,再向前一位为2,依次类推;然后是小数部分,第一位为-1,向后一位为-2,再后一位为-3依次类推;位置化系统的位权作为系数,若基数为十,则称为十进制、若基数为2,则称为二进制、若基数为3,则称为标准三进制或平衡三进制,如下表所示:

位置化系统的位权210-1-2-3
十进制数(125.345)125.345
10^210^110^010^-110^-210^-3
平衡三进制数(1TT.111)1TT.111
3^23^13^03^-13^-23^-3

平衡三进制的小数表示

        这是一个绕不开的问题,要想搞明白平衡三进制的小数如何表示,怎么来的那就先搞懂十进制的小数与整数,如上表十进制数为125.345,也就是:

1*10^2 + 2*10^1 + 5*10^0 + 3*10^-1 + 4*10^-2 + 5*10^-3

=100 + 20 + 5 + 0.3 + 0.04 +0.005

=125.345

所以平衡三进制1TT.111(十进制5.5),可表示为:

1*3^2 + T*3^1 + T*3^0 + 1*3^-1 + 1*3^-2 + 1*3^-3

=9 + (-3) + (-1) + (1/3) + (1/9) + (1/27)

大概为5.4,要精确到后5位,这样的结果较为准确,1TT.11111重新计算结果为5.46095.

平衡三进制转换的运算规则

        平衡三进制作为标准三进制的一个变体,所以还是以标准三进制出发,然后再进一步去除得到最终的平衡三进制转换方法。

标准三进制转平衡三进制的方法

        平衡三进制的转转换法中,需要先写出一个给定的数 x 在标准三进制中的表示。当 x 是用标准三进制表示时,其数字的每一位都是 0、1 或 2。要转化为平衡三进制,需要从低位到高位操作

  1. 遇到 0 和 1,可直接跳过
  2. 遇到 2,当前位改为 T,向前进位加上 1
  3. 遇到 3,当前位改为 0,向前进位加上 1

十进制整数直接转平衡三进制的方法

    每次进行模3取余,最后进行倒序读取,有以下得余数表示,
    -2    -1    0    1    2(正数与负数分别对2与-2处理)
    -1、0、1合法的,故不处理
    若商为-2,则将商减一,再除于3得到新商,然后余数变成1
    若商为 2,则将商加一,再除于3得到新商,然后余数变成-1

        如上图所示,先用连除法,不断的除于3取余,商至到为0结束,标准三进制得到的数为20,然后用第一个规则(标三转平三),得到1T0;然后直接跳过标准三进制,当商为 2,则将商加一,再除于3得到新商为1,然后余数变成-1,直接得1T0,这样就不用转来转去了。

十进制小数直接转平衡三进制的方法

    每次进行乘3取整,正数结果为正,负数则为负,那么会有以下得整数表示,
    -2    -1    0    1    2(正数与负数分别对2与-2处理)
    若为正数,则遇到0或1直接跳过,遇到2当前位改T,向前进1
    若为负数,则遇到0或1直接跳过,遇到-2当前位改1,向前进T

        如上图所示,小数用的是连乘法,不断的乘于3取整,可以精确到某一位或为0为止,标准三进制得到0.3为0.022002,然后用第一个规则(标三转平三),得到0.10T01T;然后直接跳过标准三进制,遇到0或1直接跳过,遇到2当前位改T,向前进1,也就是向上进1,直接得到0.10T01T,得到正数直接可以(1变T,T变1)变为负数,也可以再算一次。

总结:

整数部分与小数部分要分开算,得到相应结果,最后再相加在一起就行了;

整数部分使用连除法,采用倒序读取余数,即可以得结果;

小数部分使用连乘法,采用正序读取整数,即可以得结果;

十进制浮点数转平衡三进制数的实现

        先观察上图,平衡三进制数,它的小数很有特点,就是以0.5或-0.5为分界,它过了这条界则要向前进一位,上面与下面的数也是对称,所以如果是4.5转成平衡三进制,则为11.11111111,当为4.6时,则0.6为1.TT11和4的11相加,则整数部分要进位,得到1TT.TT11TT11TT,其中小数部分没变,整数变了,所以当小数与整数合体时,大于0.5或小于-0.5的小数要进位,会丢失一位,所以要在前面补0就行了。

        然后结合上面的方法,十进制数的整数与小数分别转为平衡三进制,再将它们结合在一起就可以了,这里用C++成功实现了上述方法,采用的是deque容器数据结构,它可以高效的在前后两端推入数据,类似于数组但不是数组,因为要进位所以用deque容器,当输入去的数据再拿出来改时方便,平衡三进制的小数和它的分数其实都各有优势,但我更喜欢分数(方便计算,误差小)。

        平衡三进制和十进制一样,用小数点分隔整数部分和小数部分;在平衡三进制中,四舍五入和截位的操作是等效的;平衡三进制可以像十进制一样,可以用小数来表示分数;小数可分为:有限小数、无限循环小数、无限不循环小数,小数中除无限不循环小数外都可以用分数来表示;最后给出写了几天,终于写出的十进制浮点数转平衡三进制的C++代码:

#include <iostream>
#include <deque>
#include <algorithm>


using namespace std;
// 将deque容器内数据展示出来
void showDequeArray(const deque<char>& charDeque) {
    for (char element : charDeque) {
        cout << element;
    }
    cout << endl;
}
// 将数字转为char
char toTargetChar(int n) {
    switch (n) {
        case -1: return 'T';
        case 0:  return '0';
        case 1:  return '1';
        default: return '\0';
    }
}

//进位操作
void changeCarryChar(deque<char>& originBalancedTernary,char carryChar){
	//默认要进一位,倒着读取再进位
	bool isCarry=true;
	//当前最后一位为originBalancedTernary.size()-1,
	//前一位为originBalancedTernary.size()-2,
	//最后一位改写,前一位判断是否再进位,同样要改写
	for (int i = originBalancedTernary.size()-2; i >= 0; --i) {	
		//若false则不进位,结束循环
		if(!isCarry) break;
		//这是变换进位操作(正数进1,负数进T)
		switch (originBalancedTernary[i]) {
			case '0':
				isCarry=false;
				originBalancedTernary[i]=carryChar;
				break;
			case '1':
				if(carryChar=='T'){
					isCarry=false;
					originBalancedTernary[i]='0';
				}
				else if(carryChar=='1'){
					isCarry=true;
					originBalancedTernary[i]='T';
				}
				break;
			case 'T':
				if(carryChar=='1'){
					isCarry=false;
					originBalancedTernary[i]='0';
				}
				else if(carryChar=='T'){
					isCarry=true;
					originBalancedTernary[i]='1';
				}
				break;
			default:
				break;
		}
	}
}


//将十进制数转换成平衡三进制数
deque<char> decimalToBalancedTernary(double decimal){
	deque<char> balancedTernary;//创建 Vector存结果
	const int maxIterations = 10;//可调整,小数部分的精确位
	/*
	获取整数部分,进行转换操作,
	每次进行模3取余,因为会出现负数,那么会有以下得余数表示,
	-2	-1	0	1	2(正数与负数分别对2与-2处理)
	-1、0、1合法的,故不处理
	若商为-2,则将商减一,再除于3得到新商,然后余数变成1
	若商为 2,则将商加一,再除于3得到新商,然后余数变成-1
	*/
	int integerPart = static_cast<int>(decimal);
	if(integerPart==0)balancedTernary.push_back('0');//默认为0,则出0
    while (integerPart != 0) {
    	int remainder = integerPart % 3;//得到余数
    	switch (remainder) {
			case -1:
			case  2:
				balancedTernary.push_back('T');
				integerPart = (integerPart + 1) / 3;//商加一,除于3是为了得到商
				break;
			case  1:
			case -2:
				balancedTernary.push_back('1');
				integerPart = (integerPart - 1) / 3;//商减一,除于3是为了得到商
				break;
			default:
				balancedTernary.push_back('0');
				integerPart /= 3;//除于3是为了得到商
				break;
		}
    }
	reverse(balancedTernary.begin(), balancedTernary.end()); // 反转顺序,倒序读取
	
	balancedTernary.push_back('.');//添加小数点
	/*
	获取小数部分,进行转换操作,
	每次进行乘3取整,正数结果为正,负数则为负,那么会有以下得整数表示,
	-2	-1	0	1	2(正数与负数分别对2与-2处理)
	若为正数,则遇到0或1直接跳过,遇到2当前位改T,向前进1
	若为负数,则遇到0或1直接跳过,遇到-2当前位改1,向前进T
	*/
	double fractionalPart = decimal - static_cast<int>(decimal);
	//大于0.5或小于-0.5的小数要进位,当小数与整数合体时,会丢失一位,所以要在前面补0
	if(fractionalPart>0.5 || fractionalPart < -0.5)balancedTernary.push_front('0');
    for (int i = 0; i < maxIterations; ++i) {
		fractionalPart*=3;
		int roundIndex = static_cast<int>(fractionalPart);//乘3后取整的数
		switch (roundIndex) {
			case -2:
				balancedTernary.push_back('1');
				changeCarryChar(balancedTernary,'T');
			break;	
			case 2:
				balancedTernary.push_back('T');
				changeCarryChar(balancedTernary,'1');
			break;
			default:
				balancedTernary.push_back(toTargetChar(roundIndex));
				break;
		}
		fractionalPart-=roundIndex;//得到剩下的小数	
    	if (fractionalPart == 0) break;// 如果小数部分已经处理完毕,退出循环
    }

	return balancedTernary;
}

int main()
{
	double decimal;
	cout<<"请输入十进制浮点数,将转换成平衡三进制:"<<endl;
	cin >> decimal;
	deque<char> balancedTernary = decimalToBalancedTernary(decimal);
	showDequeArray(balancedTernary);
	return 0;
}

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