2進数とデータ — 0と1がすべての正体

コンピュータが2進数を使うのは、電気回路が「流れている/いない」の2状態を最も確実に区別できるからでした。この0か1かの1桁が ビット（bit） で、最小単位です。

ビットが8個集まると 1バイト（byte）。1バイトで2の8乗＝256通りを表せます。ここで問題になるのが「2進数は桁が長くて人には読みにくい」こと。たとえば 11010110 は8桁もあります。

そこで登場するのが 16進数 です。4ビット＝16進数1桁にちょうど対応するので、1バイトは16進数2桁でスッキリ書けます。

• 2進 1101 → 16進 D（10進では13）
• 2進 0110 → 16進 6
• よって 11010110 → 16進 D6

色コード #FF0000（赤）やメモリのアドレス表示に16進が使われるのは、この「4ビット＝1桁」の相性の良さが理由です。

同じ0と1の並びでも、読み方のルールを変えると、数にも文字にも色にもなります。ルールごとに見ていきます。

数（整数）。8ビットで0〜255を表せますが、マイナスも扱いたい。そこで先頭ビットを符号に使い、負の数は 2の補数 という方式で表します。ざっくり言えば「桁を全部反転して1を足す」とマイナスになる仕組みで、これなら引き算を足し算の回路で処理できます。8ビットの符号つき整数なら、表せる範囲は -128〜127 になります。

文字。ここは2段階に分かれます。

• 文字集合（例：Unicode） — 「あ」は U+3042、「A」は U+0041、と文字に番号を割り当てる台帳
• 符号化方式（例：UTF-8） — その番号を実際のバイト列に変換するルール

UTF-8は、英数字は1バイト、日本語などは3バイト前後、と文字によってバイト数を変える可変長方式です。だから英語中心のデータは小さく、世界中の文字も表せます。「文字集合＝どの文字に何番」「符号化方式＝その番号をどうバイトにするか」と役割が分かれている点が要です。

色や音も同じで、画素の色を赤・緑・青の数値に、音の波の高さを数値の列にする。変換ルールが違うだけで、行き着く先はぜんぶ0と1です。

データ量の単位は、10進の1,000区切りと、2進の1,024区切りの2種類があります。

• 厳密には 1 KiB（キビバイト）= 2の10乗 = 1,024 バイト、1 MiB = 1,024 KiB、1 GiB = 1,024 MiB
• 一方 1 KB = 1,000 バイト とする10進表記も広く使われる

「1,000か1,024か」で微妙にズレるのはこのためです。ストレージの容量表示（10進）とOSの表示（2進）が食い違って見えるのも、この単位の違いが原因です。

• 1 KB ≒ 短いメール1通ぶん
• 1 MB ≒ 写真1枚、曲1分ぶん
• 1 GB ≒ 映画1本（標準画質）
• 1 TB ≒ スマホ写真なら数十万枚

データ量を減らす技術が 圧縮 です。大きく2種類あります。

• 可逆圧縮（ロスレス） — 元に完全復元できる。ZIP、PNG、FLACなど。文書やプログラムのように1ビットも変えられないデータ向き
• 非可逆圧縮（ロッシー） — 人が気づきにくい情報を捨てて大幅に小さくする。JPEG、MP3、H.264（動画）など。写真・音・動画向き

非可逆は「元に戻せない」代わりに圧縮率が高い。用途に応じて、正確さを優先するか小ささを優先するかで使い分けます。同じ0と1でも、どう詰めるかで容量が変わるわけです。