Aufgabenbeispiele von Informatik
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Dezimal und Hexdezimal aus Binär
Beispiel:
Gib die Zahl (111.0011)2 sowohl im Dezimal- als auch im Hexdezimalsystem an.
Als Dezimalzahl
Um die (für uns normale) Dezimalzahl zu berechnen, müssen wir einfach jede Ziffer mit der zugehörigen 2er-Potenz ihrer Stelle (siehe rechts) multiplizieren. Am besten tun wir das von rechts nach links:
(111.0011)2 = 1⋅1 + 1⋅2 + 0⋅4 + 0⋅8 + 1⋅16 + 1⋅32 + 1⋅64= 115
Somit ergibt sich die Dezimaldarstellung von (111.0011)2 = 115
Als Hexadezimalzahl
Jeder 4-er-Block wird in eine Hexadezimalzahl umgewandelt und diese werden hintereinander gesetzt:
(111)2 = 1⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = 7 = (7)16
(0011)2 = 0⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = 3 = (3)16
Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (111.0011)2 = (73)16
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 7,0390625 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 7,0390625 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 7,0390625 = 7 + 0,0390625
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 7 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 7 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
7 = 4 + 3 = 4 + 2 + 1
= 1⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 7 = (111)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 7 zu bestimmen:
Wir gehen nach dem folgendem Algorithmus vor, dass die Kommazahl immer halbiert und dann auf den Rest geschaut wird. Dieser Rest wird dann in die entsprechende Binärstelle geschrieben.
7 -> 7:2 = 3 Rest 1, also kommt nun an die 20-Stelle eine 1.
7 = 3⋅2 + 1, also 7 = ( 3⋅2 + 1)⋅1 = 3⋅2 + 1⋅1
3 -> 3:2 = 1 Rest 1, also kommt nun an die 21-Stelle eine 1.
3 = 1⋅2 + 1, also 7 = ( 1⋅2 + 1)⋅2 + 1⋅1 = 1⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 22-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 7 = ( 0⋅2 + 1)⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = 0⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 7 = (111)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,0390625 in eine binäre Kommazahl umwandeln:
Wir gehen nach dem folgendem Algorithmus vor, dass die Kommazahl immer verdoppelt wird.
Wenn dann das Ergebnis der Verdopplung > 1 ist, kommt eine 1 an die Binärstelle,
ansonsten eine 0.
0.0390625 -> 0.0390625⋅2 = 0.078125, da 0.078125<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.0390625⋅ = 0.078125⋅, also ist 0.0390625 = 0⋅ + 0.078125⋅
0.078125 -> 0.078125⋅2 = 0.15625, da 0.15625<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.078125⋅ = 0.15625⋅, also ist 0.0390625 = 0⋅ + 0⋅ + 0.15625⋅
0.15625 -> 0.15625⋅2 = 0.3125, da 0.3125<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.15625⋅ = 0.3125⋅, also ist 0.0390625 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.3125⋅
0.3125 -> 0.3125⋅2 = 0.625, da 0.625<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0
0.3125⋅ = 0.625⋅, also ist 0.0390625 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.625⋅
0.625 -> 0.625⋅2 = 1.25, da 1.25>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1
0.625⋅ = 1.25⋅, also ist 0.0390625 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.25⋅
0.25 -> 0.25⋅2 = 0.5, da 0.5<1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 0
0.25⋅ = 0.5⋅, also ist 0.0390625 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.5⋅
0.5 -> 0.5⋅2 = 1, da 1>1 ist, kommt nun an die 2-7-Stelle eine 1
0.5⋅ = 1⋅, also ist 0.0390625 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.0390625 ist somit 0,0000101
Zusammen mit der 7 = (111)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 7,0390625 = (111,0000.101)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 6,2265625 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 6,2265625 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 6,2265625 = 6 + 0,2265625
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 6 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 6 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
6 = 4 + 2
= 1⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 6 = (110)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 6 zu bestimmen:
Wir gehen nach dem folgendem Algorithmus vor, dass die Kommazahl immer halbiert und dann auf den Rest geschaut wird. Dieser Rest wird dann in die entsprechende Binärstelle geschrieben.
6 -> 6:2 = 3 Rest 0, also kommt nun an die 20-Stelle eine 0.
6 = 3⋅2 + 0, also 6 = ( 3⋅2 + 0)⋅1 = 3⋅2 + 0⋅1
3 -> 3:2 = 1 Rest 1, also kommt nun an die 21-Stelle eine 1.
3 = 1⋅2 + 1, also 6 = ( 1⋅2 + 1)⋅2 + 0⋅1 = 1⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 22-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 6 = ( 0⋅2 + 1)⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = 0⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 6 = (110)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,2265625 in eine binäre Kommazahl umwandeln:
Wir gehen nach dem folgendem Algorithmus vor, dass die Kommazahl immer verdoppelt wird.
Wenn dann das Ergebnis der Verdopplung > 1 ist, kommt eine 1 an die Binärstelle,
ansonsten eine 0.
0.2265625 -> 0.2265625⋅2 = 0.453125, da 0.453125<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.2265625⋅ = 0.453125⋅, also ist 0.2265625 = 0⋅ + 0.453125⋅
0.453125 -> 0.453125⋅2 = 0.90625, da 0.90625<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.453125⋅ = 0.90625⋅, also ist 0.2265625 = 0⋅ + 0⋅ + 0.90625⋅
0.90625 -> 0.90625⋅2 = 1.8125, da 1.8125>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.90625⋅ = 1.8125⋅, also ist 0.2265625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.8125⋅
0.8125 -> 0.8125⋅2 = 1.625, da 1.625>1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 1
0.8125⋅ = 1.625⋅, also ist 0.2265625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0.625⋅
0.625 -> 0.625⋅2 = 1.25, da 1.25>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1
0.625⋅ = 1.25⋅, also ist 0.2265625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0.25⋅
0.25 -> 0.25⋅2 = 0.5, da 0.5<1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 0
0.25⋅ = 0.5⋅, also ist 0.2265625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.5⋅
0.5 -> 0.5⋅2 = 1, da 1>1 ist, kommt nun an die 2-7-Stelle eine 1
0.5⋅ = 1⋅, also ist 0.2265625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.2265625 ist somit 0,0011101
Zusammen mit der 6 = (110)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 6,2265625 = (110,0011.101)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(110,0011.101)2 = (1,1000.1110.1)2 ⋅ 22 (Normierte Darstellung)
Eigentlich müsste man die letzte Binärstelle runden, aber der Einfachheit wegen schneiden wir einfach nur ab!
Das Vorzeichen-Bit ist 0, da 6.2265625 positiv ist.
Wegen der ⋅ 22 ist der Exponent ist 2 + 127 (Exzess) = 129, oder eben (1000.0001)2.
Als Mantisse können wir einfach die Bits der normierten Darstellung abschreiben, wobei wir das erste Bit weglassen, da dieses bei der normierten Darstellung ja immer eine 1 ist (hidden bit). Somit erhalten wir:
0 10000001 100.0111.0100.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 10,35 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 10,35 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 10,35 = 10 + 0,35
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 10 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 10 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
10 = 8 + 2
= 1⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 10 = (1010)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 10 zu bestimmen:
Wir gehen nach dem folgendem Algorithmus vor, dass die Kommazahl immer halbiert und dann auf den Rest geschaut wird. Dieser Rest wird dann in die entsprechende Binärstelle geschrieben.
10 -> 10:2 = 5 Rest 0, also kommt nun an die 20-Stelle eine 0.
10 = 5⋅2 + 0, also 10 = ( 5⋅2 + 0)⋅1 = 5⋅2 + 0⋅1
5 -> 5:2 = 2 Rest 1, also kommt nun an die 21-Stelle eine 1.
5 = 2⋅2 + 1, also 10 = ( 2⋅2 + 1)⋅2 + 0⋅1 = 2⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
2 -> 2:2 = 1 Rest 0, also kommt nun an die 22-Stelle eine 0.
2 = 1⋅2 + 0, also 10 = ( 1⋅2 + 0)⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = 1⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 23-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 10 = ( 0⋅2 + 1)⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = 0⋅16 + 1⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 10 = (1010)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,35 in eine binäre Kommazahl umwandeln:
Wir gehen nach dem folgendem Algorithmus vor, dass die Kommazahl immer verdoppelt wird.
Wenn dann das Ergebnis der Verdopplung > 1 ist, kommt eine 1 an die Binärstelle,
ansonsten eine 0.
0.35 -> 0.35⋅2 = 0.7, da 0.7<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.35⋅ = 0.7⋅, also ist 0.35 = 0⋅ + 0.7⋅
0.7 -> 0.7⋅2 = 1.4, da 1.4>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1
0.7⋅ = 1.4⋅, also ist 0.35 = 0⋅ + 1⋅ + 0.4⋅
0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.4⋅ = 0.8⋅, also ist 0.35 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.8⋅
0.8 -> 0.8⋅2 = 1.6, da 1.6>1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 1
0.8⋅ = 1.6⋅, also ist 0.35 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.6⋅
0.6 -> 0.6⋅2 = 1.2, da 1.2>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1
0.6⋅ = 1.2⋅, also ist 0.35 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0.2⋅
0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 0
0.2⋅ = 0.4⋅, also ist 0.35 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.4⋅
0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-7-Stelle eine 0
0.4⋅ = 0.8⋅, also ist 0.35 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.8⋅
Die 0.4 (und dann 0.4⋅2 = 0.8) hatten wir aber schon, d.h. die binäre Kommazahl ist periodisch und beginnt jetzt wieder von vorne. Also sind ab hier immer die nächsten 4 Zahlen wieder 0.4, 0.8, 0.6 und 0.2 mit den Binärzahlen 0110.
Die Binärdarstellung von 0.35 ist somit (0,0101.1001.1001.1001.1001.1001.1001.100)2
Zusammen mit der 10 = (1010)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 10,35 = (1010,0101.1001.1001.1001.1001.1001.1001)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(1010,0101.1001.1001.1001.1001.1001.1001)2 = (1,0100.1011.0011.0011.0011.0011.0011.001)2 ⋅ 23 (Normierte Darstellung)
Eigentlich müsste man die letzte Binärstelle runden, aber der Einfachheit wegen schneiden wir einfach nur ab!
Das Vorzeichen-Bit ist 0, da 10.35 positiv ist.
Wegen der ⋅ 23 ist der Exponent ist 3 + 127 (Exzess) = 130, oder eben (1000.0010)2.
Als Mantisse können wir einfach die Bits der normierten Darstellung abschreiben, wobei wir das erste Bit weglassen, da dieses bei der normierten Darstellung ja immer eine 1 ist (hidden bit). Somit erhalten wir:
0 10000010 010.0101.1001.1001.1001.1001
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0110.1011)2 = 107.
Bestimme -107 als 8-Bit-Binärzahl (in der Zweierkomplement-Darstellung):
Wir invertieren im ersten Schritt unsere Binärzahl (d.h. aus jeder 0 wird eine 1 und aus jeder 1 wird eine 0).
so wird (0110.1011)2
zu (1001.0100)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | - | ( | 0 | 1 | 0 | 0 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Wir wandeln erst den Subtrahend b, also die untere Zahl, die angezogen wird, in ihre negative Zahl um, so dass wir dann einfach die beiden Zahlen addieren können (a-b = a+(-b).
Wir invertieren im ersten Schritt unsere Binärzahl (d.h. aus jeder 0 wird eine 1 und aus jeder 1 wird eine 0).
so wird (0100.1100)2
zu (1011.0011)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0101.0100)2 und -b = (1011.0100)2 addieren:
| ( | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Da wir ja aber nur 8-Bit Speicherplatz haben "verpufft der Overflow" und als Ergebnis stehen nur die 8 rechten Bit:
(0000.1000)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(111.1110)2 ⋅ (110.0100)2 =
Der zweite Faktor (110.0100)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
| ( | 1 | 0 | 0 | )2 | ( | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | |||
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
somit gilt:
(111.1110)2 ⋅ (110.0100)2 = 111.1110 ⋅ (100.0000 + 10.0000 + 100)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(111.1110)2 ⋅ (110.0100)2 = (1.1111.1000.0000)2 + (1111.1100.0000)2 + (1.1111.1000)2
Diese 3 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
| ( | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:
| ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (11.0001.0011.1000)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 126 ⋅ 100 = 12600)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(110.0010)2 : (1110)2 =
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | : | 1 | 1 | 1 | 0 | = | 1 | 1 | 1 |
| - | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| - | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| - | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (11000)2 - (1110)2 = (1010)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 24 - 14 = 10
- Die obige Differenz (10101)2 - (1110)2 = (111)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 21 - 14 = 7
- Die obige Differenz (01110)2 - (1110)2 = (0)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 14 - 14 = 0
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 98 : 14 = 7)
