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简介

平衡三进制,也称为对称三进制。这是一个不太标准的 计数体系。正规的三进制的数字都是由 0,1,2 构成的,而平衡三进制的数字是由 -1,0,1 构成的。它的基数也是 3(因为有三个可能的值)。由于将 -1 写成数字不方便,我们将使用字母 Z 来代替 -1

这里有几个例子:

    0    0
    1    1
    2    1Z
    3    10
    4    11
    5    1ZZ
    6    1Z0
    7    1Z1
    8    10Z
    9    100

计数体系 的负数表示起来很容易:只需要将正数的数字倒转即可(Z 变成 1,1 变成 Z)。

    -1   Z
    -2   Z1
    -3   Z0
    -4   ZZ
    -5   Z11

很容易就可以看到,负数最高位是 Z,正数最高位是 1

转换算法

在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 012。从最低的数字开始迭代,我们可以先跳过任何的 01,但是如果遇到 2 就应该先将其变成 Z,下一位数字再加上 1。而遇到数字 3 则应该转换为 0 下一位数字再加上 1

应用一

64 转换成平衡三进制。

首先,我们用标准三进制数来重写这个数:

$$ \text 64_{10} = 02101_3 $$

让我们从对整个数影响最小的数字(最低位)进行处理:

  • 101 被跳过(因为在平衡三进制中允许 01);
  • 2 变成了 Z,它左边的数字加 1,得到 1Z101
  • 1 被跳过,得到 1Z101

最终的结果是 1Z101

我们再把它转换回十进制:

$$ \texttt {1Z101}=81 \times 1 +27 \times (-1) + 9 \times 1 + 3 \times 0 + 1 \times 1 = 64_{10} $$

应用二

237 转换成平衡三进制。

首先,我们用标准三进制数来重写这个数:

$$ \text 237_{10} = 22210_3 $$

  • 01 被跳过(因为在平衡三进制中允许 01);
  • 2 变成 Z,左边的数字加 1,得到 23Z10
  • 3 变成 0,左边的数字加 1,得到 30Z10
  • 3 变成 0,左边的数字(默认是 0)加 1,得到 100Z10
  • 1 被跳过,得到 100Z10

最终的结果是 100Z10

我们再把它转换回十进制:

$$ \texttt{ 100Z10} = 243 \cdot 1 + 81 \cdot 0 + 27 \cdot 0 + 9 \cdot (-1) + 3 \cdot 1 + 1 \cdot 0 = 237_{10} $$

平衡三进制的唯一性

对于一个平衡三进制数 $X_3$ 来说,其可以按照每一位 $x_i$ 乘上对应的权值 $3^i$ 来唯一得到一个十进制数 $Y_{10}$。那对于一个十进制数 $Y_{10}$,是否 唯一对应一个平衡三进制数 呢?

答案是肯定的。

我们利用 反证法 来求证:

假设一个十进制数 $Y_{10}$,存在两个 不同的平衡三进制数 $A_3,B_3$ 转化成十进制时等于 $Y_{10}$,即证 $A_3 = B_3$。分情况讨论:

  1. $Y_{10}=0$,显然 $A_3 = B_3 = 0_3$,与假设矛盾。

  2. $Y_{10}>0$

    • $A_3$,$B_3$ 的数位按低位到高位编号,记 $a_i$$A_3$ 的第 $i$ 位,$b_i$ 为 $B$ 的第 $i$ 位。在 $A_3,B_3$ 中,必存在 $i$ 使得 $a_i\neq b_i$。可以发现第 $i-1,i-2,\dots,0$ 位均与证明无关。因此,将 $A_3,B_3$ 按位右移 $i$ 位,得到 $A_3',B_3'$,原问题等价于证明 $A_3'=B_3'$

    • 对于 $A_3',B_3'$$0$ 位,$a_0 \neq b_0$。假设 $b_0 > a_0$($a_0>b_0$ 时结果相同),易知 $b_0 - a_0 \in {1,2}$。$A_3'$ 的位 $i=1,2,3,...$ 对于 $A_3'$ 的值的贡献为 $S_1 = a_1 \times 3^1 + a_2 \times 3^2+ \dots$,$B_3'$ 的位 $i=1,2,3,...$ 对于 $B_3'$ 的值的贡献为 $S_2 = b_1 \times 3^1 + b_2 \times 3^2 + \dots$。由于 $A_3' = B_3'$,得 $S_1 - S_2 = b_0 - a_0$。$S_1,S_2$ 有公因子 $3$,而 $b_0 - a_0$ 不能被 $3$ 整除,与假设矛盾,因此 $A_3'\neq B_3'$

  3. $Y_{10}<0$,证法与 $Y_{10}>0$ 相同。

故对于任意十进制 $Y_{10}$,均有唯一对应的平衡三进制 $X_3$

练习题

Topcoder SRM 604, Div1-250