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环球科学

为啥计算机里会有+0和-0，用 1 分别除以它们，结果让你大吃一惊！

环万物杂志约 5 分钟
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撰文 | 乌其多 
审校 | 山 矾
你也许认为：0就是0。
“0”可能代表空、起点、归零、银行卡余额、精心发朋友圈后的点赞人数、买了半辈子彩票后的中奖次数、暗恋你的人数、国足夺得世界杯冠军的概率等等......
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无论如何，它都应该只有一种形态。
然而，在大部分计算机编程语言里，0有两种表示形式：
+0和-0。
？？？？？？
消息传到股民耳朵里，立刻有人开始幻想（没错，是我）：“T+0都能赚钱了，T-0岂不是直接起飞？”
很遗憾，两者没有任何关系。
这里的正负0，只是计算机为了保存一种特殊信息而设计出来的。
更具体地说，这源于大部分编程语言都遵循的一套规则——IEEE 754浮点数标准。这套标准规定了浮点数在计算机中的存储格式，正是它造就了0.1+0.2≠0.3的经典奇观，也顺带把0劈成了两半。
为啥计算机算不出0.1+0.2=0.3？
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经过约 8 年的讨论、修改、协调，最终由威廉·卡汉主导制定了统一的IEEE 754标准| wiki
0的两张“身份证”，从何而来？
在这项标准里，一个数会被拆成三部分：符号位、指数位和尾数位。
符号位只有0和1两种状态：0表示正号，1表示负号。
指数位决定数字的数量级，相当于十进制里的“十、百、千、万”这种大小档位。只不过在计算机的二进制世界里，它真正使用的是 2 的幂。
尾数位则保存数字真正的有效数字，决定这个数具体是多少。
为了便于理解，我们先用十进制打个比方。比如-43501=-4.3501×10⁴，那么可以如下表示：
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这时，+0和-0是怎么来的，就很好理解了：问题就在于这个“符号位”：当指数位全为0，尾数位也全为0时，这个数就是0。但它仍然必须拥有一个符号位，不要不得行。
于是：符号位为0，就是+0；符号位为1，就是-0。
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-0的表示法如上| wiki
也就是说，在计算机眼里，0虽然数值上只有一个，却可以拥有两张不同的“身份证”。
很多人看到这里，可能会觉得：既然+0和-0数值完全一样，那保留它们还有什么意义？答案是：
为了看清0来时的路。
举个例子，假设有两个数字：一个是+0.0000001，另一个是-0.0000001。随着小数点后0不断增加，它们会越来越接近真正的0。
最终，由于已经小到超出了浮点数能够精确表示的范围，计算机会分别把它们记录成+0 和-0。虽然它们现在看起来都是0，但计算机依然知道：一个来自正数，一个来自负数。
就如同两个人乘坐电梯，一人从上到下到达0层，一个从下到上到达0层。他们最终在0层相遇，但是来的方向是不一样的。
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自制
这种“来路信息”，在游戏动画、自动驾驶、机器人控制中至关重要。程序员常用的“ atan2( ) 函数”就是典型例子——它根据坐标来计算物体的朝向。
以游戏角色为例：假设目标位于角色的正西方，坐标是 (-1, 0)。问题在于，这个目标既可能是从上方转移至此，也可能从下方转移至此。对于数学来说，这两个位置完全一样；但对于计算机来说，它们却不是同一种情况。
如果目标是从上方靠近的，角色继续逆时针旋转才最自然。
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如果目标是从下方靠近的，则应该继续顺时针旋转——虽然最后停留的位置相同，但运动轨迹却完全不同。
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这时候，+0和-0就派上了用场。如果目标来自上方，计算机会把它记作 (-1，+0)；如果来自下方，则会记作 (-1，-0)。正是这正负号之别，让动画保持了运动的连续性，不至于在终点处突然抽搐、掉头。
除了图形和动画，这种方向信息在科学计算中同样重要。例如，IEEE  754规定：
1÷+0 = +∞
1÷-0 = -∞
你可能又要说：等会儿，+0和-0我已经忍了，怎么还能拿1去除？数学老师不是说过，0绝对不能作除数吗？
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没错，在数学课上，这句话完全正确。
计算机从来不是比数学更聪明，而是它必须面对一个数学课本不用面对的问题：现实。比如，一辆汽车正在减速，它的速度可能依次变成：10 米/秒、1 米/秒、0.1 米/秒、0.01 米/秒……越来越接近0。这时，如上所述，计算机会把它记成+0 或-0，分别代表越来越小的正数和越来越小的负数。
既然如此，当程序继续计算1÷这个数时：来自正数，就继续朝着+∞增长；来自负数，就继续朝着-∞增长。
这样设计，并不是为了挑战数学老师的心态，而是为了让程序能够继续运行，有其重要的实用意义。
想象一下，一辆自动驾驶汽车正在计算转向角度。某一步计算中，由于传感器误差，一个数无限接近0。如果程序此时直接像数学课本一样回答"除以0，没有意义"，会发生什么？
那么整套计算就只能立刻报错终止。方向盘、制动系统、路径规划……后续所有依赖这一步结果的计算，都可能跟着停止，甚至造成车毁人亡的惨剧。
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网络
所以，IEEE754选择返回+∞或-∞。这也是在告诉程序：这里出现了一个极端情况，但程序可以继续运行。
对于运行几个小时、几天，甚至几个月的大型科学计算来说，这一点同样重要：如果每遇到一次接近0的情况，程序都直接停止，那么前面所有计算都可能功亏一篑。
所以，+0和-0，从来不是为了让0变成两个不同的数字。它真正保存的是：这个0，是从哪里来的。而1÷±0得到±∞，保存的则是：如果继续沿着这个方向计算，它最终会走向哪里。
一个记录来路。一个记录去向。
正是这些看似不起眼的细节，让计算机在面对现实世界中无数接近边界、接近极限的计算时，依然能够保持连续、稳定，而不会因为一个小小的0就彻底停摆。
很多时候，我们后来学到的新知识，并不是在推翻课本，而是在补充课本。数学告诉我们什么是严格正确的；工程思考的则是：当现实世界没有那么理想时，怎样才能让系统继续安全、稳定地运行。

参考资料：

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_754?utm_source=chatgpt.com

‌[2] https://docs.oracle.com/cd/E19957-01/800-7895/800-7895.pdf?utm_source=chatgpt.com

本文转载自公众号“把科学带回家”（id：steamforkids）

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