représentation des nombres et calcul sur ordinateur
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Représentation des nombres et calcul sur ordinateurJean-Michel Muller
To cite this version:
Jean-Michel Muller. Représentation des nombres et calcul sur ordinateur. 2009. �ensl-00391070�
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Représentation des nombres et calcul sur ordinateur
des cailloux aux supercalculateurs
Jean-Michel MullerCNRS - Laboratoire LIP
(CNRS-INRIA-ENS Lyon-Université de Lyon)
http://perso.ens-lyon.fr/jean-michel.muller/
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Dame Arithmétique (Gregor Reisch, 1503)
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Mon métier ? J’apprends à compter aux ordinateurs
Arithmétique des ordinateurs :
systèmes de représentation des nombres et méthodes decalculs arithmétiques (faire une addition est encore du domainede la recherche) ;
réalisations : programmes etcircuits (processeurs) ;
critères : vitesse, précision, fiabilité, consommation d’énergie,etc.
⇒ solutions de compromis, qui diffèreront suivant les applications.
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Mon métier ? J’apprends à compter aux ordinateurs
Arithmétique des ordinateurs :
systèmes de représentation des nombres et méthodes decalculs arithmétiques (faire une addition est encore du domainede la recherche) ;
réalisations : programmes etcircuits (processeurs) ;
critères : vitesse, précision, fiabilité, consommation d’énergie,etc.
⇒ solutions de compromis, qui diffèreront suivant les applications.
Ce soir : petits allers-retours dans le temps.
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Perception immédiate des petits nombres
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Perception immédiate des petits nombres
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Perception immédiate des petits nombres
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Représentations des nombres → besoins et possibilités
un, deux, trois, quatre, cinq . . . , et pas grand chose de plus
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Représentations des nombres → besoins et possibilités
un, deux, trois, quatre, cinq . . . , et pas grand chose de plus
il y a 6000 ans (Mésopotamie) : systèmes exacts →représentation exacte des nombres → mémorisation
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Représentations des nombres → besoins et possibilités
un, deux, trois, quatre, cinq . . . , et pas grand chose de plus
il y a 6000 ans (Mésopotamie) : systèmes exacts →représentation exacte des nombres → mémorisation
il y a 4000 ans (Mésopotamie) : systèmes de position (sans lezéro) → calcul « à la main » ;
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Représentations des nombres → besoins et possibilités
un, deux, trois, quatre, cinq . . . , et pas grand chose de plus
il y a 6000 ans (Mésopotamie) : systèmes exacts →représentation exacte des nombres → mémorisation
il y a 4000 ans (Mésopotamie) : systèmes de position (sans lezéro) → calcul « à la main » ;
notre système de base 10 (Inde → monde musulman →Europe) → calcul « à la main » amélioré ;
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Représentations des nombres → besoins et possibilités
un, deux, trois, quatre, cinq . . . , et pas grand chose de plus
il y a 6000 ans (Mésopotamie) : systèmes exacts →représentation exacte des nombres → mémorisation
il y a 4000 ans (Mésopotamie) : systèmes de position (sans lezéro) → calcul « à la main » ;
notre système de base 10 (Inde → monde musulman →Europe) → calcul « à la main » amélioré ;
Question notre système est-il adapté au calcul automatique ?
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Un petit exercice pour s’échauffer
1 Diviser MMCCCXCIII par CLXXXII
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Un petit exercice pour s’échauffer
1 Diviser MMCCCXCIII par CLXXXII
2 Généralisation : proposer une méthode générale de divisiondans ce système.
Attention ! Vous devez vous mettre dans la peau d’un romain, quin’a aucune idée de ce qu’est notre propre système de numération.
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Un petit exercice pour s’échauffer
1 Diviser MMCCCXCIII par CLXXXII
2 Généralisation : proposer une méthode générale de divisiondans ce système.
Attention ! Vous devez vous mettre dans la peau d’un romain, quin’a aucune idée de ce qu’est notre propre système de numération.
Au moyen-âge, quelqu’un qui sait faire une division est un savant.
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Première partie : le présent
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Première partie : le présent
on ne vit pas dans un monde parfait !
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Première partie : le présent
on ne vit pas dans un monde parfait !
certes, on fait des calculs impensables il y a 60 ans, mais. . .
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Première partie : le présent
on ne vit pas dans un monde parfait !
certes, on fait des calculs impensables il y a 60 ans, mais. . .
erreurs : programmes et circuits faux, mauvaises“spécifications” ;
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![Page 21: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/21.jpg)
Première partie : le présent
on ne vit pas dans un monde parfait !
certes, on fait des calculs impensables il y a 60 ans, mais. . .
erreurs : programmes et circuits faux, mauvaises“spécifications” ;
certains problèmes sont intrinsèquement difficiles.
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On peut faire du très mauvais travail. . .
1994 : “bug” de la division duprocesseur Pentium d’Intel,8391667/12582905 donnait0.666869 · · · au lieu de 0.666910 · · · ;
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On peut faire du très mauvais travail. . .
1994 : “bug” de la division duprocesseur Pentium d’Intel,8391667/12582905 donnait0.666869 · · · au lieu de 0.666910 · · · ;
Maple, version 6.0. Entrez 214748364810, vous obtiendrez 10.
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![Page 24: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/24.jpg)
On peut faire du très mauvais travail. . .
1994 : “bug” de la division duprocesseur Pentium d’Intel,8391667/12582905 donnait0.666869 · · · au lieu de 0.666910 · · · ;
Maple, version 6.0. Entrez 214748364810, vous obtiendrez 10.
Excel’2007 (premières versions), calculez 65535 − 2−37, vousobtiendrez 100000 ;Note : 2−37 est le nombre qui vaut
1
2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × · · · × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2
(36 multiplications)
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On peut faire du très mauvais travail. . .
Novembre 1998, navire américain USS Yorktown, on a parerreur tapé un «zéro» sur un clavier → division par 0. Ceproblème n’était pas prévu → cascade d’erreurs → arrêt dusystème de propulsion.
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On peut faire du très mauvais travail. . .
Novembre 1998, navire américain USS Yorktown, on a parerreur tapé un «zéro» sur un clavier → division par 0. Ceproblème n’était pas prévu → cascade d’erreurs → arrêt dusystème de propulsion.
premier envol. . . et premier plongeon d’Ariane 5
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On peut faire du très mauvais travail. . .
Novembre 1998, navire américain USS Yorktown, on a parerreur tapé un «zéro» sur un clavier → division par 0. Ceproblème n’était pas prévu → cascade d’erreurs → arrêt dusystème de propulsion.
premier envol. . . et premier plongeon d’Ariane 5
pont Tacoma (1940), voir vidéo.
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On n’a pas besoin d’ordinateurs pour commettre des sottises
la sonde Mars Climate Orbiters’est écrasée sur Mars en 1999 ;
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![Page 29: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/29.jpg)
On n’a pas besoin d’ordinateurs pour commettre des sottises
la sonde Mars Climate Orbiters’est écrasée sur Mars en 1999 ;
une partie des développeurs deslogiciels supposait que l’unité demesure était le mètre ;
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![Page 30: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/30.jpg)
On n’a pas besoin d’ordinateurs pour commettre des sottises
la sonde Mars Climate Orbiters’est écrasée sur Mars en 1999 ;
une partie des développeurs deslogiciels supposait que l’unité demesure était le mètre ;
l’autre partie croyait que c’étaitle pied.
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![Page 31: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/31.jpg)
Le banquier infernal
Voulant sécuriser ma retraite, j’ai
e − 1 = 1.718281828459045235360287471352662497757247093 . . .
euros à placer. . .
je me rends à la Société chaotique de banque, qui fait de la pubpour de nouveaux placements. . .
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Le banquier infernal
À la Société chaotique de banque, le banquier m’explique :
Au bout de 25 ans, je peux retirer mon argent. . . est-ce intéressant ?
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Le banquier infernal
À la Société chaotique de banque, le banquier m’explique :
la première année, mon capital est multiplié par 1, et on meretire 1 euro pour frais de gestion ;
Au bout de 25 ans, je peux retirer mon argent. . . est-ce intéressant ?
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Le banquier infernal
À la Société chaotique de banque, le banquier m’explique :
la première année, mon capital est multiplié par 1, et on meretire 1 euro pour frais de gestion ;
la deuxième année, mon capital est multiplié par 2, et on meretire 1 euro pour frais de gestion ;
Au bout de 25 ans, je peux retirer mon argent. . . est-ce intéressant ?
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![Page 35: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/35.jpg)
Le banquier infernal
À la Société chaotique de banque, le banquier m’explique :
la première année, mon capital est multiplié par 1, et on meretire 1 euro pour frais de gestion ;
la deuxième année, mon capital est multiplié par 2, et on meretire 1 euro pour frais de gestion ;
la troisième année, mon capital est multiplié par 3, et on meretire 1 euro pour frais de gestion ;
. . .
Au bout de 25 ans, je peux retirer mon argent. . . est-ce intéressant ?
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![Page 36: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/36.jpg)
Le banquier infernal
À la Société chaotique de banque, le banquier m’explique :
la première année, mon capital est multiplié par 1, et on meretire 1 euro pour frais de gestion ;
la deuxième année, mon capital est multiplié par 2, et on meretire 1 euro pour frais de gestion ;
la troisième année, mon capital est multiplié par 3, et on meretire 1 euro pour frais de gestion ;
. . .
la 25ème année, mon capital est multiplié par 25, et on meretire 1 euro pour frais de gestion ;
Au bout de 25 ans, je peux retirer mon argent. . . est-ce intéressant ?
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![Page 37: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/37.jpg)
Je n’ai pas signé tout de suite...
J’ai cherché à calculer ce que serait mon capital au bout de 25ans. . .
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![Page 38: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/38.jpg)
Je n’ai pas signé tout de suite...
J’ai cherché à calculer ce que serait mon capital au bout de 25ans. . .
ma calculette (Casio) : −747895876335 euros ;
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![Page 39: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/39.jpg)
Je n’ai pas signé tout de suite...
J’ai cherché à calculer ce que serait mon capital au bout de 25ans. . .
ma calculette (Casio) : −747895876335 euros ;
mon ordinateur (Proc. Intel Xeon, compilateur gcc, sousLinux) : +1201807247 euros ;
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Je n’ai pas signé tout de suite...
J’ai cherché à calculer ce que serait mon capital au bout de 25ans. . .
ma calculette (Casio) : −747895876335 euros ;
mon ordinateur (Proc. Intel Xeon, compilateur gcc, sousLinux) : +1201807247 euros ;
en fait, la « vraie » valeur est d’environ 0.0399 euros. . .
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![Page 41: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/41.jpg)
Conclusion de ce fâcheux épisode
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![Page 42: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/42.jpg)
Conclusion de ce fâcheux épisode
ne faites pas aveuglément confiance à votre ordinateur ;
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![Page 43: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/43.jpg)
Conclusion de ce fâcheux épisode
ne faites pas aveuglément confiance à votre ordinateur ;
ne faites pas aveuglément confiance à votre banquier.
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![Page 44: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/44.jpg)
Deuxième partie : Voyage vers le passé. . .
Guides : Geneviève Guittel, Georges Iffrah, . . .
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![Page 45: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/45.jpg)
Deuxième partie : Voyage vers le passé. . .
Guides : Geneviève Guittel, Georges Iffrah, . . .Nos ancêtres ont compté avec. . .
des cailloux : a donné le mot « calcul » ;leurs doigts : a donné le mot anglais « digit » (chiffre) ;des abaques, des « échiquiers » : a donné l’expression «chancelier de l’échiquier » ;des encoches sur des os ou des bâtons (→ I, V, X des chiffresromains).
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![Page 46: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/46.jpg)
Comptons des têtes de troupeau
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En mésopotamie, il y a 5300 ans. . .
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![Page 48: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/48.jpg)
Comptons des têtes de troupeau
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![Page 49: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/49.jpg)
Un gros caillou = 5 cailloux
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Un très gros caillou = 5 gros cailloux
Base 5: chaque très groscaillou vaut 5 gros cailloux,chaque gros caillou vaut 5 petits cailloux.
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Si on sait dessiner, plus besoin de cailloux
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![Page 52: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/52.jpg)
En mésopotamie, il y a 4000 ans. . .
-24-
![Page 53: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/53.jpg)
Exemple Egyptien (base 10)
Nombre 1234567
-25-
![Page 54: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/54.jpg)
Exemple Egyptien (base 10)
-26-
![Page 55: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/55.jpg)
L’étape suivante : numération de position
3 1 2
-27-
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Oui, mais s’il y a un “trou” ?
Si on a juste des très gros et des petits cailloux, sans gros cailloux ?3 solutions :
-28-
![Page 57: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/57.jpg)
Oui, mais s’il y a un “trou” ?
Si on a juste des très gros et des petits cailloux, sans gros cailloux ?3 solutions :
une très grande base : la base 60 des savants babyloniens ;
-28-
![Page 58: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/58.jpg)
Oui, mais s’il y a un “trou” ?
Si on a juste des très gros et des petits cailloux, sans gros cailloux ?3 solutions :
une très grande base : la base 60 des savants babyloniens ;
des chiffres qui “tournent” à chaque changement de position :le système savant chinois ;
-28-
![Page 59: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/59.jpg)
Oui, mais s’il y a un “trou” ?
Si on a juste des très gros et des petits cailloux, sans gros cailloux ?3 solutions :
une très grande base : la base 60 des savants babyloniens ;
des chiffres qui “tournent” à chaque changement de position :le système savant chinois ;
Zéro : inventer un symbole pour représenter. . . rien !
-28-
![Page 60: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/60.jpg)
Le système de base 60 des savants babyloniens
choix d’une grande base : absence de zéro ;
58 tables de multiplication !chaque chiffre (de 1 à 59), représenté à l’aide de 2 symboles(clous et chevrons) :
chaque clou vaut 1
le chevron vaut 10
-29-
![Page 61: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/61.jpg)
Le système de base 60 des savants babyloniens
“tablette de Yale” : entre−2000 et −1600 ;
-30-
![Page 62: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/62.jpg)
Le système de base 60 des savants babyloniens
“tablette de Yale” : entre−2000 et −1600 ;√
2 en base 60, avec uneprécision de 4 chiffres debase 60 ≈ 7 chiffres debase 10 ;
-30-
![Page 63: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/63.jpg)
Le système de base 60 des savants babyloniens
“tablette de Yale” : entre−2000 et −1600 ;√
2 en base 60, avec uneprécision de 4 chiffres debase 60 ≈ 7 chiffres debase 10 ;
méthode de racine carrée :communément attribuée àHéron d’Alexandrie (env.10 – env. 75), voire àNewton ;
-30-
![Page 64: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/64.jpg)
Le système de base 60 des savants babyloniens
“tablette de Yale” : entre−2000 et −1600 ;√
2 en base 60, avec uneprécision de 4 chiffres debase 60 ≈ 7 chiffres debase 10 ;
méthode de racine carrée :communément attribuée àHéron d’Alexandrie (env.10 – env. 75), voire àNewton ;
notre mesure du temps.
-30-
![Page 65: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/65.jpg)
Le système de base 60 des savants babyloniens
Table de multiplication par 25.
-31-
![Page 66: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/66.jpg)
Le système savant chinois
unités, centaines, dizaines de milliers,etc. : chiffres verticaux ;
dizaines, milliers, etc. : chiffres horizontaux.
8947 et 8907 :
-32-
![Page 67: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/67.jpg)
Notre numération de base 10 avec zéro explicite
Inde, 8ème siècle au + tard (et peut-être Chine avant) ;
Utilisation certaine et datable : stèle de Gwalior, +876 ;
traité d’arithmétique d’Al-Khwarizmi.
-33-
![Page 68: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/68.jpg)
Mohamed Ibn Mussa Al-Khawarizmi
Mathématicien et astronome perse783 − 850,
Livre de l’addition et de la
soustraction d’après le calcul indien
(825) : utilise et perfectionne lesystème indien ;
équations du second degré, dansson livre Kitâb al-jabr wa
al-muqâbala → a donné le motalgèbre ;
son nom a donné le mot algorithme.
-34-
![Page 69: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/69.jpg)
En europe. . . il faut attendre la renaissance
Gerbert d’Aurillac : 990, maispas de réelle percée avant larenaissance ;
Algorisme : nom donné à cesystèmes de numération et auxméthodes (algorithmes) decalcul ;
essor des sciences.
-35-
![Page 70: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/70.jpg)
Le calcul automatique : Pascal, Leibniz, . . .
La Machine de Pascal (1645).
L’arithmomètre de Thomas de Colmar (1820) : 4 opérationsarithmétiques. Première machine diffusée à large échelle.
-36-
![Page 71: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/71.jpg)
Le calcul automatique : Pascal, Leibniz, . . .
La Difference engine no 2 de Charles Babbage : constructionautomatisée de tables de fonctions.
-37-
![Page 72: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/72.jpg)
Troisième partie : retour au présent
un record ;
quels besoins ?
ré-apprenons l’addition. . .
-38-
![Page 73: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/73.jpg)
Le record ?
Y. Kanada, de l’université de Tokyo, a calculé les 1.241.100.000.000premiers chiffres décimaux de π, en utilisant les relations
π = 48 arctan 1
49+ 128 arctan 1
57− 20 arctan 1
239+ 48 arctan 1
110443
π = 176 arctan 1
57+ 28 arctan 1
239− 48 arctan 1
682+ 96 arctan 1
12943.
A demandé 600 heures de calcul sur un calculateur parallèle Hitachià 64 processeurs. Mémoire nécessaire : 4000 fois celle de monordinateur portable.
-39-
![Page 74: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/74.jpg)
Besoins ? Quelques chiffres. . .
dynamique :
Diamètre estimé Univers observable
Longueur de Planck≈ 1062
(un “1” suivi de 62 zéros)
-40-
![Page 75: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/75.jpg)
Besoins ? Quelques chiffres. . .
dynamique :
Diamètre estimé Univers observable
Longueur de Planck≈ 1062
(un “1” suivi de 62 zéros)
précision : certaines prédictions de la mécanique quantique etde la relativité générale vérifiées avec erreur (relative)≈ 10−14 = 0.00000000000001
-40-
![Page 76: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/76.jpg)
Besoins ? Quelques chiffres. . .
dynamique :
Diamètre estimé Univers observable
Longueur de Planck≈ 1062
(un “1” suivi de 62 zéros)
précision : certaines prédictions de la mécanique quantique etde la relativité générale vérifiées avec erreur (relative)≈ 10−14 = 0.00000000000001
calculs intermédiaires : arithmétique très précise et algorithmessophistiqués pour la stabilité à trèèèès long terme du systèmesolaire(J. Laskar, Observatoire de Paris).
-40-
![Page 77: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/77.jpg)
Réapprenons l’addition
Situation « habituelle » : un seul opérateur, qui travaille de droiteà gauche.
-41-
![Page 78: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/78.jpg)
Réapprenons l’addition
On ne peut pas pleinement profiter du fait qu’il y a plusieursopérateurs.
-42-
![Page 79: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/79.jpg)
Une addition
2 4 1 0 6 9
+ 3 5 8 1 3 1
--------------------------------------
-43-
![Page 80: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/80.jpg)
Une addition
2 4 1 0 6 9
+ 3 5 8 1 3 1
--------------------------------------
0
1
-44-
![Page 81: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/81.jpg)
Une addition
2 4 1 0 6 9
+ 3 5 8 1 3 1
--------------------------------------
0 0
1
-45-
![Page 82: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/82.jpg)
Une addition
2 4 1 0 6 9
+ 3 5 8 1 3 1
--------------------------------------
2 0 0
-46-
![Page 83: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/83.jpg)
Une addition
2 4 1 0 6 9
+ 3 5 8 1 3 1
--------------------------------------
9 2 0 0
-47-
![Page 84: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/84.jpg)
Une addition
2 4 1 0 6 9
+ 3 5 8 1 3 1
--------------------------------------
9 9 2 0 0
-48-
![Page 85: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/85.jpg)
Une addition
2 4 1 0 6 9
+ 3 5 8 1 3 1
--------------------------------------
5 9 9 2 0 0
-49-
![Page 86: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/86.jpg)
Faire des additions rapidement ?
je ne peux pas ajouter deux chiffres tant que je ne sais pas si lasomme des deux chiffres précédents a produit une retenue ;
-50-
![Page 87: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/87.jpg)
Faire des additions rapidement ?
je ne peux pas ajouter deux chiffres tant que je ne sais pas si lasomme des deux chiffres précédents a produit une retenue ;
cette même somme des deux chiffres précédents ne peut êtrefaite tant qu’on ne sait pas si les deux chiffres d’avant ontproduit une retenue, etc.
-50-
![Page 88: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/88.jpg)
Faire des additions rapidement ?
je ne peux pas ajouter deux chiffres tant que je ne sais pas si lasomme des deux chiffres précédents a produit une retenue ;
cette même somme des deux chiffres précédents ne peut êtrefaite tant qu’on ne sait pas si les deux chiffres d’avant ontproduit une retenue, etc.
procédé “séquentiel”, de droite à gauche → temps de calculproportionnel à la taille de l’écriture des nombres additionnés ;
-50-
![Page 89: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/89.jpg)
Faire des additions rapidement ?
je ne peux pas ajouter deux chiffres tant que je ne sais pas si lasomme des deux chiffres précédents a produit une retenue ;
cette même somme des deux chiffres précédents ne peut êtrefaite tant qu’on ne sait pas si les deux chiffres d’avant ontproduit une retenue, etc.
procédé “séquentiel”, de droite à gauche → temps de calculproportionnel à la taille de l’écriture des nombres additionnés ;
moi, ça ne me gène pas, mais un circuit d’ordinateur. . .
-50-
![Page 90: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/90.jpg)
La propagation des retenues
2 4 1 8 6 9
+ 7 5 8 1 3 1
--------------------------------------
-51-
![Page 91: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/91.jpg)
La propagation des retenues
2 4 1 8 6 9
+ 7 5 8 1 3 1
--------------------------------------
0
1
-52-
![Page 92: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/92.jpg)
La propagation des retenues
2 4 1 8 6 9
+ 7 5 8 1 3 1
--------------------------------------
0 0
1
-53-
![Page 93: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/93.jpg)
La propagation des retenues
2 4 1 8 6 9
+ 7 5 8 1 3 1
--------------------------------------
0 0 0
1
-54-
![Page 94: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/94.jpg)
La propagation des retenues
2 4 1 8 6 9
+ 7 5 8 1 3 1
--------------------------------------
0 0 0 0
1
-55-
![Page 95: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/95.jpg)
La propagation des retenues
2 4 1 8 6 9
+ 7 5 8 1 3 1
--------------------------------------
0 0 0 0 0
1
-56-
![Page 96: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/96.jpg)
La propagation des retenues
2 4 1 8 6 9
+ 7 5 8 1 3 1
--------------------------------------
1 0 0 0 0 0 0
-57-
![Page 97: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/97.jpg)
Première solution : couper en deux le nombre
-58-
![Page 98: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/98.jpg)
Première solution : couper en deux le nombre
-59-
![Page 99: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/99.jpg)
Première solution : couper en deux le nombre
-60-
![Page 100: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/100.jpg)
Première solution : couper en deux le nombre
-61-
![Page 101: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/101.jpg)
Première solution : couper en deux le nombre
-62-
![Page 102: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/102.jpg)
Continuer ainsi de suite. . .
si Tn est le temps mis pour additionner deux nombres de n
chiffres,Tn = Tn/2 + C ;
on peut encore couper en deux chacune des moitiés denombres ;
temps proportionnel au nombre d’étapes que l’on met, endivisant à chaque fois n par deux, pour arriver à 1 :
64 → 32 → 16 → 8 → 4 → 2 → 1.
Ce nombre d’étapes est le logarithme à base 2 de n.
faire mieux : Changer la manière de représenter les nombres.
-63-
![Page 103: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/103.jpg)
Systèmes de numération “redondants”
Cauchy (1840) : utiliser, enbase 10, les chiffres allant de−5 à +5 (but : simplifierlégèrement lesmultiplications) ;
Avizienis (1961) : base 10 etchiffres allant de −6 à +6 :plus besoin de propager deretenues ;
-64-
![Page 104: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/104.jpg)
Systèmes de numération “redondants”
A. Avizienis, 1961 : base 10, chiffres −6, −5, −4, . . . , 5, 6.
La chaîne de chiffres x5x4x3x2x1x0 représente
(100000 × x5) + (10000 × x4) + (1000 × x3)+ (100 × x2) + (10 × x1) + x0.
Des nombres ont plusieurs représentations : système redondant
Ex. 2006 s’écrit 2006 ou 201(−4).
-65-
![Page 105: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/105.jpg)
Addition sans propagation de retenue (Avizienis)
s = x + y
1 Calculer pour i = 0 . . . n − 1 :
ti+1 =
−1 si xi + yi ≤ −60 si −5 ≤ xi + yi ≤ 51 si xi + yi ≥ 6
wi = xi + yi − 10ti+1
2 Calculer pour i = 0 . . . n : si = wi + ti , avec wn = t0 = 0.
-66-
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Exemple
xi 1 2 5 3 4yi 3 5 1 5 6
xi + yi
ti+1
wi
si
Écritures usuelles : 12534 = 8526, 35156 = 35044. Somme 43570.
ti+1 =
−1 si xi + yi ≤ −60 si −5 ≤ xi + yi ≤ 51 si xi + yi ≥ 6
wi = xi + yi − 10ti+1
et si = wi + ti , avec wn = t0 = 0.
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Exemple
xi 1 2 5 3 4yi 3 5 1 5 6
xi + yi 4 3 6 −2 −10ti+1
wi
si
Écritures usuelles : 12534 = 8526, 35156 = 35044. Somme 43570.
ti+1 =
−1 si xi + yi ≤ −60 si −5 ≤ xi + yi ≤ 51 si xi + yi ≥ 6
wi = xi + yi − 10ti+1
et si = wi + ti , avec wn = t0 = 0.
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![Page 108: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/108.jpg)
Exemple
xi 1 2 5 3 4yi 3 5 1 5 6
xi + yi 4 3 6 −2 −10ti+1 0 0 1 0 −1wi
si
Écritures usuelles : 12534 = 8526, 35156 = 35044. Somme 43570.
ti+1 =
−1 si xi + yi ≤ −60 si −5 ≤ xi + yi ≤ 51 si xi + yi ≥ 6
wi = xi + yi − 10ti+1
et si = wi + ti , avec wn = t0 = 0.
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![Page 109: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/109.jpg)
Exemple
xi 1 2 5 3 4yi 3 5 1 5 6
xi + yi 4 3 6 −2 −10ti+1 0 0 1 0 −1wi 4 3 −4 −2 0si
Écritures usuelles : 12534 = 8526, 35156 = 35044. Somme 43570.
ti+1 =
−1 si xi + yi ≤ −60 si −5 ≤ xi + yi ≤ 51 si xi + yi ≥ 6
wi = xi + yi − 10ti+1
et si = wi + ti , avec wn = t0 = 0.
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![Page 110: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/110.jpg)
Exemple
xi 1 2 5 3 4yi 3 5 1 5 6
xi + yi 4 3 6 −2 −10ti+1 0 0 1 0 −1wi 4 3 −4 −2 0si 4 4 −4 −3 0
Écritures usuelles : 12534 = 8526, 35156 = 35044. Somme 43570.
ti+1 =
−1 si xi + yi ≤ −60 si −5 ≤ xi + yi ≤ 51 si xi + yi ≥ 6
wi = xi + yi − 10ti+1
et si = wi + ti , avec wn = t0 = 0.
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![Page 111: Représentation des nombres et calcul sur ordinateur](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/62b349a58594b056d35757be/html5/thumbnails/111.jpg)
Questions, discussion. . .
Compresseur 3!2 Compresseur 3!2 Compresseur 3!2 Compresseur 3!2 Compresseur 3!2
Compresseur 3!2 Compresseur 3!2 Compresseur 3!2
Compresseur 3!2 Compresseur 3!2
Compresseur 3!2 Compresseur 3!2
Compresseur 3!2Compresseur 3!2
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