Aufgabenbeispiele von Informatik
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Binär und Hexdezimal aus Dezimal
Beispiel:
Gib die Zahl 199 sowohl im Binär- als auch im Hexdezimalsystem an.
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 199 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
199 = 128 + 71 = 128 + 64 + 7 = 128 + 64 + 4 + 3 = 128 + 64 + 4 + 2 + 1
= 1⋅128 + 1⋅64 + 0⋅32 + 0⋅16 + 0⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 199 = (1100.0111)2
Um die Zahl 199 als Hexadzimalzahl auszugeben, gibt es zwei Möglichkeiten:
Theoretisch könnte man 199 wieder als Summe von 16er-Potenzen zerlegen und so die Koeffizienten vor den 16er-Potenzen als Hexadezimalzahl erhalten.
Wenn man bereits die Binärzahl hat, gibt es aber einen schnelleren Weg;
Jeder 4-er-Block wird in eine Hexadezimalzahl umgewandelt und diese werden hintereinander gesetzt:
(1100)2 = 1⋅8 + 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 12 = (C)16
(0111)2 = 0⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = 7 = (7)16
Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (1100.0111)2 = (C7)16
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 6,34375 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 6,34375 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 6,34375 = 6 + 0,34375
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 0,34375 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.
0.34375 -> 0.34375⋅2 = 0.6875, da 0.6875<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.34375⋅ = 0.6875⋅, also ist 0.34375 = 0⋅ + 0.6875⋅
0.6875 -> 0.6875⋅2 = 1.375, da 1.375>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1
0.6875⋅ = 1.375⋅, also ist 0.34375 = 0⋅ + 1⋅ + 0.375⋅
0.375 -> 0.375⋅2 = 0.75, da 0.75<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.375⋅ = 0.75⋅, also ist 0.34375 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.75⋅
0.75 -> 0.75⋅2 = 1.5, da 1.5>1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 1
0.75⋅ = 1.5⋅, also ist 0.34375 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.5⋅
0.5 -> 0.5⋅2 = 1, da 1>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1
0.5⋅ = 1⋅, also ist 0.34375 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.34375 ist somit 0,01011
Zusammen mit der 6 = (110)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 6,34375 = (110,0101.1)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 6,484375 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 6,484375 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 6,484375 = 6 + 0,484375
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 0,484375 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.
0.484375 -> 0.484375⋅2 = 0.96875, da 0.96875<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.484375⋅ = 0.96875⋅, also ist 0.484375 = 0⋅ + 0.96875⋅
0.96875 -> 0.96875⋅2 = 1.9375, da 1.9375>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1
0.96875⋅ = 1.9375⋅, also ist 0.484375 = 0⋅ + 1⋅ + 0.9375⋅
0.9375 -> 0.9375⋅2 = 1.875, da 1.875>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.9375⋅ = 1.875⋅, also ist 0.484375 = 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0.875⋅
0.875 -> 0.875⋅2 = 1.75, da 1.75>1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 1
0.875⋅ = 1.75⋅, also ist 0.484375 = 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0.75⋅
0.75 -> 0.75⋅2 = 1.5, da 1.5>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1
0.75⋅ = 1.5⋅, also ist 0.484375 = 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0.5⋅
0.5 -> 0.5⋅2 = 1, da 1>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1
0.5⋅ = 1⋅, also ist 0.484375 = 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.484375 ist somit 0,011111
Zusammen mit der 6 = (110)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 6,484375 = (110,0111.11)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(110,0111.11)2 = (1,1001.1111)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 6.484375 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 100.1111.1000.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 5,85 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 5,85 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 5,85 = 5 + 0,85
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 5 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 5 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
5 = 4 + 1
= 1⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 5 = (101)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 5 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.
5 -> 5:2 = 2 Rest 1, also kommt nun an die 20-Stelle eine 1.
5 = 2⋅2 + 1, also 5 = ( 2⋅2 + 1)⋅1 = 2⋅2 + 1⋅1
2 -> 2:2 = 1 Rest 0, also kommt nun an die 21-Stelle eine 0.
2 = 1⋅2 + 0, also 5 = ( 1⋅2 + 0)⋅2 + 1⋅1 = 1⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 22-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 5 = ( 0⋅2 + 1)⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1 = 0⋅8 + 1⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 5 = (101)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,85 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.
0.85 -> 0.85⋅2 = 1.7, da 1.7>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.85⋅ = 1.7⋅, also ist 0.85 = 1⋅ + 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 0.85 = 1⋅ + 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 0.85 = 1⋅ + 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 0.85 = 1⋅ + 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 0.85 = 1⋅ + 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 0.85 = 1⋅ + 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 0.85 = 1⋅ + 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 0.85 ist somit (0,1101.1001.1001.1001.1001.1001.1001.100)2
Zusammen mit der 5 = (101)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 5,85 = (101,1101.1001.1001.1001.1001.1001.1001.1)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(101,1101.1001.1001.1001.1001.1001.1001.1)2 = (1,0111.0110.0110.0110.0110.0110.0110.011)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 5.85 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 011.1011.0011.0011.0011.0011
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
| ( | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 | ||||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0101.0101)2 = 85.
Bestimme -85 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 (0101.0101)2
zu (1010.1010)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | )2 | - | ( | 0 | 0 | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 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 (0011.1010)2
zu (1100.0101)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| 1 | |||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0101.1110)2 und -b = (1100.0110)2 addieren:
| ( | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Da wir ja aber nur 8-Bit Speicherplatz haben "verpufft der Overflow" und als Ergebnis stehen nur die 8 rechten Bit:
(0010.0100)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(100.0101)2 ⋅ (11.0100)2 =
Der zweite Faktor (11.0100)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
| ( | 1 | 0 | 0 | )2 | ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | |||||
| ( | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
somit gilt:
(100.0101)2 ⋅ (11.0100)2 = 100.0101 ⋅ (10.0000 + 1.0000 + 100)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(100.0101)2 ⋅ (11.0100)2 = (1000.1010.0000)2 + (100.0101.0000)2 + (1.0001.0100)2
Diese 3 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
| ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | |||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:
| ( | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (1110.0000.0100)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 69 ⋅ 52 = 3588)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(1111.1100)2 : (1110)2 =
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | : | 1 | 1 | 1 | 0 | = | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| - | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| - | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (1111)2 - (1110)2 = (1)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 15 - 14 = 1
- 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: 252 : 14 = 18)
