补码的数学严谨定义

从上面的截图可以看出补码2^n-N=(2^n-1)-N+1=(取反)+1   (注意2^n-1-N就是取反)

从上面的式子可以看出,补码的定义:互补的码,谁与谁互补?以前有个互补角的定义,和是180度的角互称互补角,简称补角,也可以理解是最大角度之差是180度的,以此类推:计算机中负数的补码就是该负数的绝对值与谁的和是2^n的,或者这么理解,这个负数与哪个正数的最大差的绝对值是2^n的,则不难看出拿在这里定义负数的补码就是自己的绝对值与谁的和是2^n的那个谁就是这个负数的补码。

### 原码、反码和补码定义 #### 一、原码 原码是一种最简单的机器数表示方法。采用第一位表示符号,其余位表示数值的方法。例如,在8位二进制下: - 正数5的原码为 `0000 0101`[^3]。 - 负数-5的原码则为 `1000 0101`。 这种编码方式简单直观,但是存在两个零(+0 和 -0),这给计算带来了不便。 #### 二、反码 对于正数而言,其反码与其原码相同;而对于负数来说,则需要对其除符号位外的所有位求反得到反码。比如: - 单字节情况下,+5 的反码依然是 `0000 0101`; - 对于 -5 ,先写出它的原码形式 `1000 0101`,再将其后面七位取反变为 `1111 1010`[^1]。 这种方式虽然解决了部分问题,但在加减法运算时仍然不够理想。 #### 三、补码 为了使计算机能够更方便地处理带符号的数据并简化硬件设计,引入了补码的概念。具体规则如下: - **正数**:其补码等于自身的原码; - **负数**:可以通过两种途径获得: - 方法一:基于反码的基础上加上1来获取; - 方法二:直接按照模意义下的真值进行转换。 以单字节为例, - +5 的补码依旧是 `0000 0101`; - -5 的补码通过上述任一方法均可得出为 `1111 1011`[^2]。 值得注意的是,在实际应用中,现代计算机普遍采用了补码体系来进行数据存储与运算操作,因为这样可以有效地提高效率并且使得算法实现更为简洁。 ```python def get_complement(num, bit_length=8): """ 获取指定长度bit的补码 """ if num >= 0: return bin(num)[2:].zfill(bit_length) else: # 处理负数情况 positive_bin = bin(abs(num))[2:].zfill(bit_length) inverted_bits = ''.join(['1' if b=='0' else '0' for b in positive_bin]) complement = int(inverted_bits, 2) + 1 return bin(complement & ((1 << bit_length) - 1))[2:].zfill(bit_length) print(get_complement(-5)) # 输出: 11111011 ```
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