Articulo de referencia

Notación científica

La notación científica es una forma de expresar números demasiado grandes o demasiado pequeños para escribirlos cómodamente en notación decimal , ya que esto requeriría escribir...

La notación científica es una forma de expresar números demasiado grandes o demasiado pequeños para escribirlos cómodamente en notación decimal , ya que esto requeriría escribir una secuencia de dígitos excesivamente larga. También se la conoce como notación científica , notación estándar o notación estándar en el Reino Unido. Esta notación de base diez es utilizada comúnmente por científicos, matemáticos e ingenieros, en parte porque simplifica ciertas operaciones aritméticas . En las calculadoras científicas , se suele denominar modo de visualización "SCI".

En notación científica, los números distintos de cero se escriben de la forma

m × 10 n

o m por diez elevado a la potencia de n , donde n es un entero y el coeficiente m es un número real distinto de cero (generalmente entre 1 y 10 en valor absoluto, y casi siempre escrito como un decimal finito ). El entero n se llama exponente y el número real m se llama mantisa o significando . [ 1 ] El término "mantisa" puede ser ambiguo cuando se trata de logaritmos, porque también es el nombre tradicional de la parte fraccionaria del logaritmo común . Si el número es negativo, entonces un signo menos precede a m , como en la notación decimal ordinaria. En la notación normalizada , el exponente se elige de modo que el valor absoluto (módulo) del mantisa m sea al menos 1 pero menor que 10.

El sistema de coma flotante decimal es un sistema aritmético informático estrechamente relacionado con la notación científica.

Historia

Las reglas de cálculo funcionan sumando logaritmos en base 10.

Para realizar cálculos con una regla de cálculo , se requiere la notación científica. Por lo tanto, el uso de la notación científica aumentó a medida que ingenieros y educadores comenzaron a utilizar esta herramienta. Véase Regla de cálculo#Historia .

Estilos

Notación normalizada

Cualquier número real se puede escribir en la forma m × 10 ^ n de muchas maneras: por ejemplo, 350 se puede escribir como3,5 × 10² o35 × 10 1 o350 × 10 0 .

En la notación científica normalizada (llamada "forma estándar" en el Reino Unido), el exponente n se elige de modo que el valor absoluto de m permanezca al menos uno y menor que diez ( 1 ≤ | m | < 10 ). Así, 350 se escribe como3,5 × 10² . Esta forma permite una fácil comparación de números: los números con exponentes mayores son (debido a la normalización) mayores que aquellos con exponentes menores, y la resta de exponentes da una estimación del número de órdenes de magnitud que separan los números. También es la forma que se requiere cuando se utilizan tablas de logaritmos comunes . En notación normalizada, el exponente n es negativo para un número con valor absoluto entre 0 y 1 (por ejemplo, 0,5 se escribe como5 × 10 −1 ). El 10 y el exponente a menudo se omiten cuando el exponente es 0. Para una serie de números que se van a sumar o restar (o comparar de otra manera), puede ser conveniente usar el mismo valor de n para todos los elementos de la serie.

La notación científica normalizada es la forma típica de expresión de números grandes en muchos campos, a menos que se desee una forma no normalizada o con una normalización diferente, como la notación de ingeniería . La notación científica normalizada a menudo se denomina notación exponencial , aunque este último término es más general y también se aplica cuando m no está restringido al rango de 1 a 10 (como en la notación de ingeniería, por ejemplo) y a bases distintas de 10 (por ejemplo, 3,15 × 2 ^ 20 ).

Notación de ingeniería

La notación de ingeniería (a menudo denominada "ENG" en las calculadoras científicas) difiere de la notación científica normalizada en que el exponente n está restringido a múltiplos de 3. En consecuencia, el valor absoluto de m está en el rango 1 ≤ | m | < 1000, en lugar de 1 ≤ | m | < 10. Aunque similar en concepto, la notación de ingeniería rara vez se denomina notación científica . La notación de ingeniería permite que los números coincidan explícitamente con sus prefijos SI correspondientes , lo que facilita la lectura y la comunicación oral. Por ejemplo,12,5 × 10 −9  m se puede leer como "doce coma cinco nanómetros" y escribir como12,5  nm , mientras que su equivalente en notación científica1,25 × 10 −8  m probablemente se leería como "uno coma dos cinco por diez elevado a la menos ocho metros".

Notación E

Las calculadoras y los programas informáticos suelen presentar números muy grandes o pequeños utilizando notación científica, y algunos pueden configurarse para presentar todos los números de esa manera de forma uniforme. Dado que los exponentes en superíndice , como el ⟨ 7 ⟩ en 10 7 , pueden resultar incómodos de mostrar o escribir, la letra "E" o "e" (de "exponente") se utiliza a menudo para representar "por diez elevado a la potencia de", de modo que la notación m E n para una mantisa decimal m y un exponente entero n significa lo mismo que m × 10 n . Por ejemplo6,022 × 10 23 se escribe como6.022E23o6.022e23, y1,6 × 10 −35 se escribe como1.6E-35o1.6e-35. A veces, la potencia positiva se muestra explícitamente (6.022E+23o6.022e+23). Si bien es común en la salida de computadora, algunas guías de estilo desaconsejan esta versión abreviada de la notación científica para documentos publicados. [ 2 ] [ 3 ]

La mayoría de los lenguajes de programación populares, incluidos Fortran , C / C++ , Python y JavaScript , utilizan esta notación "E", que proviene de Fortran y estaba presente en la primera versión lanzada para el IBM 704 en 1956. [ 4 ] La  notación E ya fue utilizada por los desarrolladores del sistema operativo SHARE (SOS) para el IBM 709 en 1958. [ 5 ] Las versiones posteriores de Fortran (al menos desde FORTRAN IV a partir de 1961 ) también utilizan "D" para indicar números de doble precisión en notación científica, [ 6 ] y los compiladores de Fortran más recientes utilizan "Q" para indicar precisión cuádruple . [ 7 ] El lenguaje de programación MATLAB admite el uso de "E" o "D".

El lenguaje de programación ALGOL 60 (1960) utiliza un carácter de subíndice diez " 10 " en lugar de la letra "E", por ejemplo: . [ 8 ] [ 9 ] Esto presentó un desafío para los sistemas informáticos que no proporcionaban dicho carácter, por lo que ALGOL W (1966) reemplazó el símbolo por una comilla simple, por ejemplo , , [ 10 ] y algunas variantes soviéticas de ALGOL permitieron el uso de la letra cirílica " ю ", por ejemplo . Posteriormente, el lenguaje de programación ALGOL 68 proporcionó una selección de caracteres: , , , , o . [ 11 ] El carácter " 10 " de ALGOL se incluyó en la codificación de texto soviética GOST 10859 (1964) y se agregó a Unicode 5.2 (2009) como U+23E8 SÍMBOLO DE EXPONENTE DECIMAL . [ 12 ]6.02210236.022'+236.022ю+23Ee\10

Algunos lenguajes de programación utilizan otros símbolos. Por ejemplo, Simula utiliza &(o &&para long ), como en 6.022&23. [ 13 ] Mathematica admite la notación abreviada 6.022*^23(reservando la letra Epara la constante matemática e ).

Pantalla de una calculadora Texas Instruments TI-84 Plus que muestra la constante de Avogadro con tres cifras significativas en notación E.

Las primeras calculadoras de bolsillo que admitían notación científica aparecieron en 1972. [ 14 ] Para introducir números en notación científica, las calculadoras incluían un botón etiquetado como "EXP" o "×10 x ", entre otras variantes. Las pantallas de las calculadoras de bolsillo de la década de 1970 no mostraban un símbolo explícito entre mantisa y exponente; en su lugar, uno o más dígitos se dejaban en blanco (p. ej. 6.022 23, como se ve en la HP-25 ), o se reservaba un par de dígitos más pequeños y ligeramente elevados para el exponente (p. ej. , como se ve en la Commodore PR100 ). En 1976, Jim Davidson, usuario de calculadoras Hewlett-Packard, acuñó el término decapotencia para el exponente de notación científica para distinguirlo de los exponentes "normales", y sugirió la letra "D" como separador entre mantisa y exponente en números mecanografiados (p. ej., ); estos ganaron cierta popularidad en la comunidad de usuarios de calculadoras programables. [ 15 ] Las letras "E" o "D" se usaban como separador de notación científica en las computadoras de bolsillo Sharp lanzadas entre 1987 y 1995; "E" se usaba para números de 10 dígitos y "D" para números de doble precisión de 20 dígitos. [ 16 ] Las calculadoras de las series TI-83 y TI-84 de Texas Instruments (1996-presente) usan una minúscula como separador. [ 17 ]6.022 236.022D23E

En 1962, Ronald O. Whitaker de Rowco Engineering Co. propuso una nomenclatura de sistema de potencias de diez donde el exponente se encerraría en un círculo, por ejemplo, 6,022 ×  10³  se escribiría como "6,022③". [ 18 ]

Cifras significativas

Una cifra significativa es un dígito en un número que aumenta su precisión. Esto incluye todos los números distintos de cero, los ceros entre cifras significativas y los ceros indicados como significativos . Los ceros iniciales y finales no son cifras significativas, ya que existen solo para mostrar la escala del número. Desafortunadamente, esto genera ambigüedad. El númeroEl número 1 230 400 se suele leer con cinco cifras significativas: 1, 2, 3, 0 y 4. Los dos últimos ceros solo sirven como marcadores de posición y no aportan precisión. Sin embargo, se usaría el mismo número si los dos últimos dígitos también se midieran con precisión y resultaran ser 0, lo que daría como resultado siete cifras significativas.

Cuando un número se convierte a notación científica normalizada, se reduce a un número entre 1 y 10. Todos los dígitos significativos permanecen, pero los ceros de relleno ya no son necesarios. Por lo tanto,1 230 400 se convertiría en1,2304 × 10⁶ si tuviera cinco cifras significativas . Si el número se conociera con seis o siete cifras significativas, se mostraría como1.230 40 × 10 6 o1,230 400 × 10 6 . Por lo tanto, una ventaja adicional de la notación científica es que el número de cifras significativas es inequívoco.

Cifras finales estimadas

En las mediciones científicas, es habitual registrar todos los dígitos conocidos y estimar al menos un dígito adicional si se dispone de información sobre su valor. El número resultante contiene más información que sin el dígito extra, que puede considerarse un dígito significativo, ya que aporta información que permite una mayor precisión en las mediciones y en las sumas o multiplicaciones de las mismas.

Se puede transmitir información más detallada sobre la precisión de un valor escrito en notación científica mediante notación adicional. Por ejemplo, el valor aceptado de la masa del protón se puede expresar como1,672 621 925 95 (52) × 10 −27  kg , que es una abreviatura de(1,672 621 925 95 ± 0,000 000 000 52 ) × 10 −27  kg . Sin embargo, no está claro si un error expresado de esta manera (5,2 × 10 −37 en este caso) es el error máximo posible, el error estándar o algún otro intervalo de confianza .

Uso de los espacios

En la notación científica normalizada, en la notación E y en la notación de ingeniería, el espacio (que en la composición tipográfica puede representarse mediante un espacio de ancho normal o un espacio delgado ) que solo se permite antes y después de "×" o delante de "E" a veces se omite, aunque es menos común hacerlo antes del carácter alfabético. [ 19 ]

Otros ejemplos de notación científica

  • La masa de un electrón es aproximadamente0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 910 938 356  kg . [ 20 ] En notación científica, esto se escribe9,109 383 56 × 10 −31  kg .
  • La masa de la Tierra es aproximadamente5 972 400 000 000 000 000 000 000  kg . [ 21 ] En notación científica, esto se escribe5,9724 × 10 24  kg .
  • La circunferencia de la Tierra es aproximadamente40 000 000  m . [ 22 ] En notación científica, esto es4 × 10 7  m . En notación de ingeniería, esto se escribe40 × 10 6  m . En el estilo de escritura del SI , esto se puede escribir40  mm (40  megámetros ).
  • Una pulgada se define como exactamente25,4  mm . Utilizando notación científica, este valor se puede expresar uniformemente con la precisión deseada, desde la décima de milímetro más cercana.2,54 × 10 1  mm al nanómetro más cercano2,540 0000 × 10 1  mm , o más.
  • La hiperinflación significa que se pone demasiado dinero en circulación, quizás imprimiendo billetes, para perseguir muy pocos bienes. A veces se define como una inflación del 50% o más en un solo mes. En tales condiciones, el dinero pierde rápidamente su valor. Algunos países han experimentado episodios de inflación del 1 millón por ciento o más en un solo mes, lo que generalmente resulta en el rápido abandono de la moneda. Por ejemplo, en noviembre de 2008, la tasa de inflación mensual del dólar zimbabuense alcanzó el 79.600 millones por ciento (470% por día); el valor aproximado con tres cifras significativas sería7,96 × 10 10  %, [ 23 ] [ 24 ] o más simplemente una tasa de7,96 × 10 8 .

Conversión de números

En estos casos, convertir un número implica transformarlo a notación científica, convertirlo de nuevo a notación decimal o modificar el exponente de la ecuación. Ninguna de estas acciones altera el número en sí, solo su expresión.

De decimal a científico

Primero, mueva el separador decimal suficientes lugares, n , para colocar el valor del número dentro de un rango deseado, entre 1 y 10 para la notación normalizada. Si el decimal se movió a la izquierda, agregue ; a la derecha, . Para representar el número× 10n× 10−n1.230.400 en notación científica normalizada, el separador decimal se movería 6 dígitos a la izquierda y se agregaría, lo que resultaría en× 1061,2304 × 10 6 . El número−0.004 0321 tendría su separador decimal desplazado 3 dígitos a la derecha en lugar de a la izquierda y daría como resultado−4,0321 × 10 −3 como resultado.

Conversión científica a decimal

Para convertir un número de notación científica a notación decimal, primero se elimina la coma decimal al final y luego se desplaza el separador decimal n dígitos a la derecha ( n positivo ) o a la izquierda ( n negativo ). El número× 10n1.2304 × 10 6 tendría su separador decimal desplazado 6 dígitos a la derecha y se convertiría en1.230.400 , mientras que−4.0321 × 10 −3 tendría su separador decimal movido 3 dígitos a la izquierda y sería−0,004 0321 .

Exponencial

La conversión entre distintas representaciones de notación científica del mismo número con diferentes exponentes se logra realizando operaciones opuestas de multiplicación o división por una potencia de diez en la mantisa y una resta o suma de uno en el exponente. El separador decimal en la mantisa se desplaza x posiciones a la izquierda (o a la derecha) y se suma (o resta) x al exponente, como se muestra a continuación.

1,234 × 10³ =12,34 × 10² =123,4 × 10¹ = 1234

Operaciones básicas

Dados dos números en notación científica, incógnita0=metro0×10norte0{\displaystyle x_{0}=m_{0}\times 10^{n_{0}}} y incógnita1=metro1×10norte1{\displaystyle x_{1}=m_{1}\times 10^{n_{1}}}

La multiplicación y la división se realizan utilizando las reglas de operación con exponenciación : incógnita0incógnita1=metro0metro1×10norte0+norte1{\displaystyle x_{0}x_{1}=m_{0}m_{1}\times 10^{n_{0}+n_{1}}} y incógnita0incógnita1=metro0metro1×10norte0norte1{\displaystyle {\frac {x_{0}}{x_{1}}}={\frac {m_{0}}{m_{1}}}\times 10^{n_{0}-n_{1}}}

Algunos ejemplos son: 5,67×105×2.34×10213.3×105+2=13.3×103=1.33×102{\displaystyle 5.67\times 10^{-5}\times 2.34\times 10^{2}\approx 13.3\times 10^{-5+2}=13.3\times 10^{-3}=1.33\times 10^{-2}} y 2.34×1025,67×1050,413×102(5)=0,413×107=4.13×106{\displaystyle {\frac {2.34\times 10^{2}}{5.67\times 10^{-5}}}\approx 0.413\times 10^{2-(-5)}=0.413\times 10^{7}=4.13\times 10^{6}}

La suma y la resta requieren que los números se representen utilizando la misma parte exponencial, de modo que la mantisa se pueda sumar o restar simplemente:

incógnita0=metro0×10norte0{\displaystyle x_{0}=m_{0}\times 10^{n_{0}}}yincógnita1=metro1×10norte1{\displaystyle x_{1}=m_{1}\times 10^{n_{1}}}connorte0=norte1{\displaystyle n_{0}=n_{1}}

A continuación, suma o resta las mantisas: incógnita0±incógnita1=(metro0±metro1)×10norte0{\displaystyle x_{0}\pm x_{1}=(m_{0}\pm m_{1})\times 10^{n_{0}}}

Un ejemplo: 2.34×105+5,67×106=2.34×105+0,567×105=2.907×105{\displaystyle 2.34\times 10^{-5}+5.67\times 10^{-6}=2.34\times 10^{-5}+0.567\times 10^{-5}=2.907\times 10^{-5}}

Otras bases

Aunque la base diez se usa normalmente para la notación científica, también se pueden usar potencias de otras bases, [ 25 ] siendo la base 2 la siguiente más utilizada.

Por ejemplo, en notación científica de base 2, el número 1001 b en binario (=9 d ) se escribe como 1,001 b × 2 d 11 b o 1,001 b × 10 b 11 b usando números binarios (o de forma más corta 1,001 × 10 11 si el contexto binario es obvio). En notación E, esto se escribe como 1,001 b E11 b (o de forma más corta: 1,001E11), donde la letra "E" ahora significa "por dos (10 b ) elevado a la potencia". Para distinguir mejor este exponente de base 2 de un exponente de base 10, a veces también se indica un exponente de base 2 usando la letra "B" en lugar de "E", [ 26 ] una notación abreviada propuesta originalmente por Bruce Alan Martin del Laboratorio Nacional de Brookhaven en 1968, [ 27 ] como en 1.001 b B11 b (o más corto: 1.001B11). Para comparar, el mismo número en representación decimal : 1.125 × 2 3 (usando representación decimal), o 1.125B3 (siguiendo usando representación decimal). Algunas calculadoras usan una representación mixta para números de punto flotante binarios, donde el exponente se muestra como un número decimal incluso en modo binario, por lo que lo anterior se convierte en 1.001 b × 10 b 3 d o más corto 1.001B3. [ 26 ]

Esto está estrechamente relacionado con la representación de punto flotante en base 2 que se usa comúnmente en la aritmética informática, y con el uso de prefijos binarios IEC (por ejemplo, 1B10 para 1×2 10 ( kibi ), 1B20 para 1×2 20 ( mebi ), 1B30 para 1×2 30 ( gibi ), 1B40 para 1×2 40 ( tebi )).

De forma similar a "B" (o "b" [ 28 ] ), las letras "H" [ 26 ] (o "h" [ 28 ] ) y "O" [ 26 ] (o "o" [ 28 ] o "C" [ 26 ] ) también se utilizan a veces para indicar multiplicaciones por 16 u 8 elevadas a la potencia , como en 1,25 = 1,40 h × 10 h 0 h = 1,40H0 = 1,40h0, o 98000 = 2,7732 o × 10 o 5 o = 2,7732o5 = 2,7732C5. [ 26 ]

Otra convención similar para denotar exponentes en base 2 es usar la letra "P" (o "p", de "potencia"). En esta notación, la mantisa siempre se considera hexadecimal, mientras que el exponente siempre se considera decimal. [ 29 ] Esta notación puede ser producida por implementaciones de la familia de funciones printf siguiendo la especificación C99 y el estándar POSIX IEEE Std 1003.1 ( Single Unix Specification ) , cuando se usan los especificadores de conversión %a o %A . [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] A partir de C++11 , las funciones de E/S de C++ también podían analizar e imprimir la notación P. Mientras tanto, la notación ha sido adoptada completamente por el estándar del lenguaje desde C++17 . [ 32 ] Swift de Apple también la admite. [ 33 ] También es requerida por el estándar de punto flotante binario IEEE 754-2008 . Ejemplo: 1.3DEp42 representa 1.3DE h × 2 42 .

La notación de ingeniería puede considerarse como una notación científica en base 1000.

Véase también

  • Notación posicional
  • ISO/IEC 80000 : una norma internacional que guía el uso de magnitudes físicas y unidades de medida en la ciencia.
  • Numerales de Suzhou : un sistema de numeración chino que se utilizaba antiguamente en el comercio, con el orden de magnitud escrito debajo de la mantisa.
  • Código RKM : una notación para especificar valores de resistencias y condensadores, con símbolos para potencias de 1000.

Referencias

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