dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

(Это существенно дополненная версия статьи, которую я недавно публиковал на “Хабре”. Дальше используются клинописные знаки из Unicode. Если в тексте на вашем устройстве клинопись не отображается, то это из-за отсутствия шрифтов; добавьте шрифты с клинописным блоком, cuneiform; например – Noto.)

На древних глиняных табличках из Месопотамии встречаются математические тексты с достаточно сложными вычислениями. Кроме прочего, для записи чисел использовалась шестидесятеричная система, которая имеет существенное «компьютерное» преимущество перед современной десятичной. Древняя шумеро-вавилонская система счисления это позиционная система по основанию шестьдесят: каждой позиции соответствует количество единиц, умноженное на степень 60, значения позиций – суммируются. Обычный способ. Шумеро-вавилонская клинописная цифра 42 выглядит так: 𒐏𒐖. И это именно цифра, которой может соответствовать и число 42, и 2520, и 151200 и так далее (всё в десятичной системе), по степеням 60. То есть, 42, как число, – это 42 единицы, для 60^0 (в нулевой степени). А десятичное 151200 – это 42 * 60^2. И так далее. Доли представляются по обратным степеням основания, например: 42 * 1/60, 42 * 1/(60^2) == 42 * 1/(3600).

Поскольку основание 60, то нужно 59 цифр. Откуда и цифра 42 (конечно, 42 тут – это условное обозначение, поэтому к нему даже можно не приписывать указание на десятичную систему).

В клинописной записи отдельных цифр вертикальные “палки” обозначают единицы, если их количество не превышает 9, а “галки” – обозначают десятки, что, впрочем, не делает систему десятеричной. Так, 𒐏𒐖 – это четыре “галки” и две “палки”, соответственно: 10 * 4 + 2 * 1. (Кстати, с какой стороны тут правильно писать количество знаков, а с какой – вес? Это ещё один пример того, что порядок записи важен, и логическая часть практически всегда некоммутативная.)

Вообще, древнейшние шумерские системы счисления использовали для записи цифр круги и “полуовалы” – примеры есть в отдельной записке. “Галки” и “палки” появились позднее, когда система стала логически стройнее.

(Очень древняя табличка. Credit: Metropolitan Museum of Art.)

На иллюстрации выше – пример таблички (3100–2900 B.C.) со знаками, соответствующими кругам и “полуовалам” по способу построения. Видимо, это учёт кувшинов и мехов – нарисованы рядом. Точная интерпретация значений цифр на самых древних табличках трудна, так как система ещё не имела строгой типизации: в самых древних шумерских вариантах интерпретация цифр зависела ещё и от того, что именно подсчитывается. Использовался ли знак для обозначения мер зерновых, для записи количества кувшинов масла или площади земельного надела – числовое значение могло быть разным. Это в точности современный Javascript, неявно преобразующий строку в числовой тип.

Что касается Javascript, то это эквивалентные операции. Не сомневайтесь. Многие неотъемлемые части информационных технологий очень древние. Предположим, неявное преобразование типов приводит ASCII-код записи “42” в значение целочисленного типа 42. Это означает, что последовательность байтов 0x3432, превращается в 0x2A. Но парой байтов были обозначены ASCII-символы! У древнейших шумер были бы, предположим, кувшины с пивом, а не ASCII-символы. Не удивительно, что эффект позднее исправлен (но не в Javascript).

Протоклинописных кругов и “полуовалов” всё ещё нет в стандартном Unicode. Но есть предложение по добавлению нужных символов.

На этой иллюстрации – фрагмент таблицы начертаний древних шумерских цифр, которые предлагается добавить в соответствующий блок Unicode. Из состава таблицы нетрудно сделать вывод, что композиций протоклинописных знаков, встречающихся на табличках, гораздо больше, чем простой круг и не менее простой “полуовал”. Ещё больше вариантов образуется в результате интерпретации исходной записи. Скорее всего, недостаток детализации и отсутствие арифметической строгости беспокоил и древних пользователей. Поэтому способ записи модифицировали, заменив круглые цифры на системы “галок” и “палок”. Получилась, так сказать, более привычная шестидесятеричная клинописная система. Способ записи стал стройнее, а шумеро-вавлионские цифры – стали более доступными для современного взгляда. Эта система более привычна и в смысле Unicode.

Шумеро-вавилонская система счисления имеет целый ряд особенностей. Например, способ записи не подразумевал явного обозначения степени конкретной позиции: сколько там весит единица – 60, 60^3 – всё определялось контекстом. Таким образом, это древнейшая система с плавающей точкой! И она на несколько тысяч лет старше всем привычных float, double, как и современных стандартов “плавающей точки” вообще. Впрочем, если в современных стандартах бывает два нуля, – вообще говоря, не равных друг другу, – то в шумеро-вавилонской системе настоящего нуля, как такового, вообще не было. В более поздних вариантах появился знак для заполнения пустых разрядов – пара диагональных клиньев, – но он использовался только для разрядов, находящихся между другими цифрами, а не для обозначения порядка вообще, то есть, не использовался на конце записи, как в случае 1000.

Выбор числа 60 в качестве основания имеет арифметическое обоснование. У шестидесятеричной системы большое преимущество, если сравнивать, например, с десятеричной, а тем более – с двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной. Всё потому, что число шестьдесят – “очень непростое”: 60 = (2 * 2) * 3 * 5. В результате, арифметика записи по основанию шестьдесят оказывается удобной для отображения долей целых – можно самые ходовые доли записать точно: 1/2, 1/3, 1/4, 1/5, 1/6, 1/10, 1/12, 1/15, 1/20, 1/30, ведь знаменатели здесь являются делителями 60. “Точная запись” же означает, что для обозначения не придётся использовать бесконечную запись, как 0.333(3) для 1/3 в десятеричном случае. О точности более подробно рассказано ниже. Прежде чем перейти к дробям, нужно получше разобраться с шумерскими клинописными цифрами.

Итак, цифрами служили комбинации клинописных знаков. Мы уже назвали их “галки” и “палки”, что соответствует их начертанию и в Unicode, и на табличках. 𒌋 – это “галка”, которая соответствует десяти единицам; 𒐕 – это “палка”, которая соответствует единице. Единицы в количестве менее десяти записывались в виде плотного набора “палок”: 𒐛 – это семь. 𒌋𒌋𒐗 – это цифра, которой, если считать цифры по порядку, соответствует число 23, записанное десятично. “23”, как цифра, – не обязательно обозначает число 23. “Галки” повторялись кратно десяти единицам: 𒌋𒌋 – двадцать. Группироваться наборы “галок” и “палок” могли произвольно, что может затруднить разбор. Мы будем использовать запись, когда единицы переходят на вторую “строку”, если их больше четырёх, а десятки – группируются вертикально: 𒐏𒐝 – это цифра 49. Можно считать, что число 49 это порядковый номер сорок девятой цифры.

Возьмём снова цифру 23: 𒌋𒌋𒐗. В зависимости от позиции и от контекста эта цифра может обозначать единицы, то есть нулевую степень основания (60^0 == 1), или единицы при 60^1, или единицы при 60^2 = 3600. Соответственно, 𒌋𒌋𒐗 (“23”) в позиции единиц – это число 23 в десятичной системе. 𒌋𒌋𒐗 в позиции 60^1 это 23 * 60 = 1380 (в десятичной). А для второй степени: 23 * 60^2 = 82800 (десятичная).

(Цифра 42)

На коллаже выше – клинописная цифра “42” шумеро-вавилонской системы счисления. Вверху – современная запись (Unicode + шрифт, поддерживающий клинопись). Ниже – два варианта записи той же цифры на табличках: P493016 (середина коллажа) и P257557 (внизу). Обе таблички датируются 1900-1600 B.C. При этом на нижней табличке использован способ группировки десятков в цифрах, который отличается и от варианта на табличке в центре, и от варианта Unicode. Но, думаю, теперь нетрудно догадаться, где там что.

Позиции в записи чисел разделялись пробелами, что не всегда однозначно, из-за того, что нуля не было. 𒐖 𒌋𒐗 это, например, 2*60^1 + 13 = 133. Почему “например”? Потому что это система с плавающей точкой. 𒐖 𒌋𒐗 с тем же успехом можно интерпретировать как 2 + 13/60. Здесь 13/60 = 13*(1/60) – это интерпретация 𒌋𒐗 как 13 “обратных” долей, по степени 60^1. То есть, плавающая точка переплывает вправо на одно знакоместо. Такой произвольный сдвиг точки очень удобен с точки зрения вычислений по таблицам значений, мы в этом убедимся на примерах далее. И если данная особенность сильно помогает при практических вычислениях, то она же мешает при считывании результата спустя всего лишь три-четыре тысячи лет.

Выходит, что с шумерскими цифрами всё достаточно просто: это различать клинья на реальных табличках трудно, но не схему записи.

Использование шумерской шестидесятеричной системы счисления в точности являлось прикладным случаем того, что сейчас принято называть “компьютерными науками” (computer science). Поэтому очень полезен сравнительный взгляд, учитывающий другие позиционные системы счисления, используемые в информатике и в тех самых компьютерных науках сейчас.

Старинная шутка гласит, что типов людей всего 10 – одни уже знают двоичную систему счисления, а другие – ещё нет. Система счисления – это способ записи чисел. Разные системы хорошо подходят для разных целей. Так, двоичная система подходит не только для записи шуток (0b0010 == 2), но и служит неплохим математическим фундаментом “железячных” компьютерных вычислений: компьютеры, как известно, не считают, а переключают транзисторные “флип-флопы”. Успешная интерпретация таких переключений возможна только потому, что есть двоичная система счисления.

Использование систем счисления с разными основаниями является привычной практикой: кроме двоичной и десятичной, распространены восьмеричная и шестнадцатеричная. Восьмеричная система, конечно, встречается нынче реже, чем шестнадцатеричная, но всё равно постоянно присутствует рядом с вами, если вы сетевой инженер или разработчик системного ПО. Например, один из штатных способов записи IP-адреса, при вызове тех или иных утилит, использует восьмеричную систему, вот так: 010.010.010.010 – это будет 8.8.8.8 в привычной форме по основанию 10 (десять). Согласно древнему соглашению, октет IPv4-адреса, начинающийся с нуля, интерпретируется как записанный в восьмеричной системе. На глиняных табличках из Месопотамии об этом ничего не сказано, но, из-за базовых unix-библиотек, такое преобразование сейчас касается не только октетов.

А вот шестнадцатеричная система вряд ли нуждается в примерах: этот вариант встречается в практике программирования почти так же часто, как и система десятичная. И не только в программировании. На стороне веб-фронтендеров в шестнадцатеричной системе повсеместно записываются цвета внутри каскадных таблиц стилей (CSS). По основанию 16 очень удобно записывать байтовые маски: запись получается не такой длинной, как в двоичной, а один октет укладывается в две цифры.

В древние времена, когда компьютеры были редкими и очень большими, данные в память вводили вручную, нажимая кнопки-биты и перещёлкивая тумблер записи. Если ваш компьютер работал на байтовых ячейках, – то есть, в один октет, восемь бит, – то опытный оператор мог каждую шестнадцатеричную цифру заданного значения моментально “выкинуть” на четырёх пальцах руки: каждый палец – один бит. Если бит установлен, то и палец выставляется вперёд, для нажатия на кнопку системы набора. 0xF – четыре пальца. 0x8 – указательный или мезинец, в зависимости от того, “тупоконечные” у вас пальцы или “остроконечные”. Не в смысле формы, а в смысле того, с какой стороны старший бит байта в представлении вашего компьютера. И так далее – прочие варианты “распальцовок” читателю предлагается отработать самостоятельно. Нынче навык сей доступен разве что редкому динозавру-технарю, да и не так полезен, однако верная распальцовка всё ещё может быть эффективно использована в беседе с молодыми DevOps, для пущего их убеждения. Заметьте, что две руки – это байт, а большим пальцем можно ловко перещёлкнуть тумблер записи, перейдя к следующему адресу. Хотя, тумблеров на компьютерах больше нет.

Не факт, что старшинство указательного пальца, взятое по модулю “хиральности” (правой/левой руки), оказало влияние на развитие систем счисления. Но вполне возможно, что принцип счёта по трём фалангам каждого из четырёх пальцев при помощи пятого прямо связан с двенадцатеричными системами, которые мы здесь не рассматриваем. Впрочем, как раз 12 * 5 == 60.

Выше мы заметили, что основание 60 позволяет едва ли не каждую привычную на практике долю записать точно. Благодаря этой возможности шестидесятеричная система превосходит десятеричную и другие упомянутые системы. Разберёмся, что именно тут имеется в виду.

Всякую позиционную систему счисления можно использовать для записи дробей: возьмём обратные степени основания {-1, -2, -3…} и станем записывать дробную часть, отделив её от целой каким-нибудь знаком. Точкой, например. Это уже было проделано выше. Для десяти – получаем всем привычные десятичные дроби: 0.4242. Точно так же будут работать и двоичная, и восьмеричная, и шестнадцатеричная система. Нет разницы. Только вот с записью долей таким способом возникнет сложность иного рода: запись окажется “бесконечной вправо” (ну, если записывать числа и расставлять веса справа налево; “бесконечная влево” запись – это p-адические числа, другая тема, пусть и неожиданно близкая).

Так, 16 – это 2^4. То есть, основание шестнадцатеричной системы, при всём богатстве выбора, какое-то слишком “простое”, и проблемы начнутся с нечётными знаменателями в долях вида a/b.

Например, 1/5 == 0x0.33(3) – всё в шестнадцатеричной системе, а тройка здесь – в периоде (обозначается скобками). “В периоде” – это значит, что развернутая запись никогда не окончится. Однако в десятичной записи 1/5 == 0.2 – и точка. “Периода” нет, запись терминируется тут же. И это одно и то же рациональное число – одна пятая.

Да, формально, и 0x0.33(3), благодаря возможности обозначить “периодические цифры”, это точная конечная запись для 1/5. Да, к 0.2, если уж быть максимально строгим, должен быть приписан бесконечный хвост нулей – 0.2(0), но его принято не указывать (да вообще мало кто помнит, что он там есть, но его не видно; как и про второе представление с бесконечно повторяющимися девятками, для десятичной системы). Это всё так по определению, а требуется по тем же причинам, по которым в десятеричной (десятичной) системе 0.9(9) == 1.

Казалось бы, сложно ли записать (3) как период? Всего лишь скобки. Однако проблема в том, что длина периодической части может быть произвольной, не обязательно лишь одна цифра повторяется.

Заметьте, что 0x0.3 * 0x5 == 0x0.F. Аналогично тому, как 0.3 * 3 == 0.9. Но почему в десятичной системе 1/5 = 0.2? Потому что 10 == 2*5. Соответственно, все числа, представимые в виде 2^n * 5^m, будут регулярными в десятичной системе: “обратные” к ним можно записать в виде конечной дроби. Шестнадцатеричная же система имеет основание 2^4, а число 5 нельзя представить в виде 2^n, отсюда и дробная часть в периоде.

По тем же причинам 1/7 = 0x0.249(249). Шестнадцатеричная система. Три цифры – период.

А вот для 1/(7^11) период шестнадцатеричной записи после запятой составит 847425747 цифр (цифры записи будут шестнадцатеричные, но их количество – записано в десятичной системе, проверьте на калькуляторе). Так что проблема точной записи, даже если позволяется вводить дополнительную структуру и указывать период в скобках, – остаётся. Кстати, поскольку в разложении 10 есть 2, то найти столь же иллюстративный обратный пример – число, которое “хорошо” представляется в шестнадцатеричной системе, но “плохо” в десятичной, – не выйдет.

Будем обозначать клинописные цифры десятичной записью соответствующего числа, разделять цифры будем запятой “,”, а точку-разделитель целой и дробной части (мантиссы) – обозначим точкой с запятой (“;”). Это общепринятый сейчас способ. Тогда 1/7 в шестидесятеричной шумеро-вавилонской системе это 0; 8,34,17(,8,34,17) или клинописью:
𒐜 𒌍𒐘 𒌋𒐛 𒐜 𒌍𒐘 𒌋𒐛… (тут цифры повторяются с периодом три).

А что ещё за “обратные” числа? Например, в десятеричной системе деление на два эквивалентно умножению на пять с последующим сдвигом десятичной точки. Элементарный пример: 7/2 = (7 * 5)/10 = 35/10 = 3.5. В шестидесятеричной системе основание делится не только на 2 и 5, но ещё и на 3, и в шестидесятеричной системе регулярные числа – это все те, которые представимы в виде 2^n * 3^l * 5^m. Здесь, как мы разобрались выше, много делителей – [1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20, 30, 60], – поэтому сдвиг плавающей точки предоставляет больше возможностей для практических вычислений по таблицам.

В древней шумеро-вавилонской практической арифметике деление одного числа на другое выполняется с помощью специальных таблиц, записанных на глиняных табличках. Чтобы найти отношение A/B, древний инженер-информатик берёт “таблицу обратных” и находит число, обратное к B. Обратите внимание, что это не совсем те привычные обратные по умножению, не совсем B^(-1) – обратное здесь берётся по основанию системы счисления. Так, в десятеричном примере выше (про деление 7/2), обратное к 2 – это 5. Почему? Потому что 5 * 2 = 10, то есть 2/10 при умножении на 5 дают единицу.

Снова вспомним, что у нас плавающая точка. Цифра 1 в нулевом разряде, если сдвинуть точку вправо на одну позицию, даст запись числа 10, на две позиции – 100, и т.д. Поэтому, определив обратное 5 в десятеричном примере, остаётся просто посмотреть в таблицу умножения для 5, найти там 5 * 7 == 35, выписать ответ и не забыть сдвинуть десятичную точку: 3.5. Так что именно плавающая точка позволяет нормировать имеющиеся числа, приводя их к удобной для вычислений форме записи. Шестидесятеричная система действует так же, но у неё больше возможностей для точных вычислений, чем у десятеричной. Умение работать с таблицами обратных и с таблицами умножения очень актуально, ведь в древней Месопотамии нет даже механических арифмометров (ну, скорее всего, их либо нет, либо они слишком дорого стоят). А вот глиняные таблички умножения и взятия обратных для шестидесятеричной системы – есть.

Разделим 10,30 на 1,15. Это уже шумерские цифры (см. нотацию выше). То есть, 10,30 == 630 в десятичной, а 1,15 == 75 в десятичной. Найдём обратный к 1,15 – это 48, потому что 1,15 * 48 == 1, а именно – 3600 в десятичной записи; выше мы разобрались, что в шумерской системе нет строгой разбивки по позициям, поэтому единица для 3600 соответствует позиции с весом 60^2. Найдём результат умножения 48 на 10,30. Это 8,24 (нуля у нас нет – не забывайте). Как получилось 8,24? Скорее всего, для шумерского инженера-информатика это табличный результат – то есть, он должен быть уже записан на глиняной табличке умножения. Если же не записан, то инженер-информатик быстро вычислит его в уме, поскольку хорошо владет шестидесятеричной системой.

Посудите сами: 30 – это половина от “единицы”, то есть, половина от основания системы, от 60. Соответственно, умножать на 30 просто – работает так же, как умножение на 5 в десятеричной системе: умножаем на 1 и берём половину. Но 1, конечно, это 60 в десятеричной. То есть, нужно взять половину от значения цифры 48 – записываем цифру 24, всё в соответствии с таблицей умножения. И не забываем, что позиция плавающей точки только что сдвинулась вправо, ведь при умножении 48 на единицу, мы взяли эту единицу в позиции с весом 60, но исходная цифра 48 – это количество единиц в позиции с весом тоже единица (60^0). Естественно, если корректно отслеживать положение плавающей точки, то метод работает для любой позиции цифры 48. Так что – обычное быстрое умножение, сдвигами.

Теперь цифра 10 из 10,30. 10 – это одна шестая от основания системы, тоже удобно. Умножаем на единицу и берём одну шестую. Одна шестая от 48 – это 8. Поэтому и цифра будет 8, но она должна стоять в правильной позиции – то есть, на одну позицию левее. Перенос плавающей точки здесь соответствует “переносу единиц” в привычном умножении столбиком в десятеричной системе, но из-за большого количества делителей основания системы 60, схема оказывается более эффективной.

Итак, получили 8,24, в шумерских цифрах. Обратите внимание, что сейчас, после умножения “на обратный”, 8 находится в позиции с весом 60^2, а 24 – в позиции с весом 60. Поставим “плавующую точку” на место, сдвинув, как положено, на две позиции левее, и получим верный результат: 8; 24.

То же самое в клинописных цифрах, как это делал бы инженер-информатик в Месопотамии несколько тысяч лет назад, засечками на глине:

𒌋 𒌍 / 𒐕 𒌋𒐙 (здесь “слеш” – знак деления),

обратный: 𒐏𒐜, умножаем по таблице: 𒐏𒐜 * 𒌋 𒌍.

Результат: 𒐜 𒌋𒌋𒐘 – и через те самые несколько тысяч лет придётся догадываться, где же здесь стоит плавающая точка.

Всё это так хорошо работает потому, что 48 == 2^3 * 6, 10 == 2 * 5, 30 == 5 * 6 и т.д. Это всё регулярные числа, которые записываются точно в шеcтидесятеричной системе. Чуть выше мы нашли, что 1/7 в шумеро-вавилонской системе нельзя представить точно, потому что запись будет бесконечной: 𒐜 𒌍𒐘 𒌋𒐛 𒐜 𒌍𒐘 𒌋𒐛… Так происходит потому, что 7 – взаимно простое с основанием 60.

Знали ли об этом древние шумеры и вавилоняне? Скорее всего, да, знали, но трактовали это явление иначе, чем сейчас: для древнего шумерского инженера-информатика рациональное число 1/7 было бы не “рациональным”, а “невозможным”, в том смысле, что такую долю невозможно записать точно в шестидесятеричной системе, поэтому в точных таблицах нет обратного значения. Непонятно, как считать, поэтому 1/7 не должна встречаться на практике. Конечно, если 1/7 всё же встретилась, то инженеру-информатику пришлось бы воспользоваться таблицами “приближённых” значений, подобрав подходящий интервал. Такие таблицы тоже имелись, но их наверняка старались избегать, ведь иначе шестидесятеричная система оказывается избыточной.

Адрес записки: https://dxdt.ru/2025/07/14/15921/