二进制采用四位数的原因主要与计算机硬件特性和数学效率相关，具体分析如下：
一、硬件实现基础
电子管的双稳态特性
早期计算机使用电子管表示数据，电子管只有两种稳定状态（开/关），这与二进制的0和1完美对应，便于物理实现。
简化逻辑电路
四位数（如4位二进制）可以用较少的逻辑门实现。例如，4位二进制数有16种组合（0000到1111），而十进制数0到15需要4位才能表示，位数与数值范围呈指数增长，4位二进制在硬件设计上更经济高效。
二、数学与进制转换优势
基数匹配
4位二进制数（0000-1111）可以表示0到15的十进制数，正好对应16进制的16个符号（0-F）。这种映射简化了进制转换，例如二进制1010（10）可直接转换为十六进制2A。
运算效率提升
4位二进制数在进行算术运算时，可以通过组合4个逻辑门实现，运算规则简单且速度较快。例如，4位二进制加法只需4个半加器即可完成。
三、历史与技术演进
早期计算设备的局限性
在电子计算机出现前，机械计算设备（如齿轮装置）多采用十进制，但存在表示大数困难的问题。二进制因位数扩展方便，逐渐成为电子计算机的标准。
现代计算机系统的延续性
尽管现代计算机字长多为32位或64位，但基础仍以4位二进制单元（如8位字节）为核心，这种设计既保留了历史兼容性，又兼顾了硬件实现的简洁性。
总结
二进制采用四位数是硬件实现、数学效率和历史演进的共同结果。4位二进制不仅与16进制完美对应，简化了进制转换，还能在硬件设计中实现高效运算。