A matemática envolvida para recriar itoa() (de preferência tomando mais cuidado com a segurança da implementação) é simples, dependendo apenas de alguns conceitos que, no meu tempo de estudante, se aprendiam no primeiro grau (atualmente chamado de "ensino fundamental").

A primeira coisa a trazer de volta à mente é a diferença entre número e numeral.

Número é uma grandeza matemática, e tem propriedades que são estudadas e usadas pela Aritmética, pelos estudiosos de Teoria dos Números e em outros campos da Matemática. Já um numeral é uma forma qualquer de referir-se a um número ou, de forma mais geral, a ideias de quantidades.

Tomemos um exemplo pare ilustrar essa diferença. A Matemática define um conjunto de números, chamados números naturais, cujo menor elemento é o número com valor zero, e que cujos sucessivos elementos são formados sempre pelo acréscimo de uma unidade ao elemento anterior.

O décimo-sexto elemento desse conjunto, quando disposto em ordem crescente de seus elementos, é sempre o mesmo número, quer eu me refira a ele como "15" (numeral usando algarismos indo-arábicos), "XV" (numeral romano), "quinze" (numeral cardinal em Português), "fifteen" (numeral cardinal em Inglês), "0xF" (notação hexadecimal da linguagem C), "1111" (numeral binário) ou até mesmo "o décimo-sexto elemento do conjunto dos números naturais disposto em ordem crescente" (numeral ordinal em Português, com referência explícita ao conjunto dos números naturais).

No caso de itoa(), o parâmetro inteiro lhe traz a informação de um número, e o papel da função é converter tal número em um numeral, em forma de texto, armazenando os símbolos que o compõem esse texto numa string.

Outro elemento de conhecimento usado por itoa() é o de notação posicional para representação de um número. A notação posicional para numerais depende de um conjunto finito de algarismos, que são símbolos associados a determinados valores absolutos, e da posição que cada algarismo ocupa na representação do numeral, pois isso indica os valores relativos de cada um deles.

O funcionamento dessa notação é dado pelas seguintes premissas:

1) Se o número de algarismos for n, os valores absolutos de cada um deles correspondem aos n primeiros números naturais (por exemplo: se usarmos dez algarismos, o valor do menor deles é zero e o do maior, nove).

2) O valor relativo do algarismo é o produto do seu valor absoluto por um fator associado à posição por ele ocupada no numeral.

3) O fator associado a cada posição cresce exponencialmente da direita para a esquerda: a posição mais à direta tem um fator unitário (um), e a cada posição deslocada mais à esquerda esse fator é multiplicado por n.

4) O valor relativo de cada algarismo usado na composição do numeral é o produto do seu valor absoluto pelo fator da posição que ele ocupa.

5) O valor do número indicado pelo numeral é então a soma de todos os valores relativos da composição do numeral.

6) Cada número corresponde biunivocamente a um possível numeral usando a representação num sistema de numeração posicional com n algarismos.

Assim sendo, quando se usam os algarismos indo-arábicos ("0", "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8" e "9"; dez ao todo), o numeral "2505" significa, literalmente, a soma de 2·10³ (valor absoluto dois, deslocado três posições para a esquerda a partir da posição da unidade, que resulta no valor relativo "dois vezes dez vezes dez vezes dez", ou "dois mil") com 5·10² (valor absoluto cinco, deslocado duas posições para a esquerda a partir da posição da unidade, que resulta no valor relativo "cinco vezes dez vezes dez", ou "quinhentos") com 0·10¹ (valor absoluto zero, deslocado uma posição para a esquerda a partir da unidade, que resulta no valor relativo "zero vezes dez", que é zero) com 5·10⁰ (valor absoluto cinco vezes a unidade, já que esta é a posição mais à direita, que resulta o valor relativo "cinco" -- note que pode-se considerar que houve "zero deslocamentos à esquerda", e que dez elevado a zero realmente vale um).

Na pela terceira ou quarta série (correspondentes aos atuais quarto e quinto anos do Ensino Fundamental) se aprendia somente a notação posicional usando os dez algarismos indo-arábicos. Entretanto, é bom notar que as premissas acima enunciadas falam sobre uma quantidade de algarismos n qualquer, desde que n seja maior que ou igual a dois.

Lá pela sétima ou oitava séries (atuais oitavo ou nono anos), a gente aprendia sobre outros sistemas de numeração e sobre mudanças de bases de numeração. Não raramente os exercícios envolviam um conjunto de símbolos cujos algarismos eram "bolinha", "quadradinho", "triangulinho" e "cruzinha", ou coisa equivalente. Eram comuns exercícios do tipo "Num sistema de numeração cujos algarismos são, em ordem crescente, '@', '#', '$', '%' e '&', qual o valor do numeral '%@&&$#'?" ou "Qual a representação do valor numérico cento e vinte e nove num sistema de numeração cujos algarismos são, em ordem crescente, 'A', 'B', 'C' e 'D'?".

É interessante notar que itoa() é essencialmente uma implementação da solução do segundo exercício.