Aufgabenbeispiele von Informatik
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Binär und Hexdezimal aus Dezimal
Beispiel:
Gib die Zahl 74 sowohl im Binär- als auch im Hexdezimalsystem an.
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 74 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
74 = 64 + 10 = 64 + 8 + 2
= 1⋅64 + 0⋅32 + 0⋅16 + 1⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 74 = (100.1010)2
Um die Zahl 74 als Hexadzimalzahl auszugeben, gibt es zwei Möglichkeiten:
Theoretisch könnte man 74 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:
(100)2 = 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 4 = (4)16
(1010)2 = 1⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = 10 = (A)16
Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (100.1010)2 = (4A)16
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 2,484375 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 2,484375 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 2,484375 = 2 + 0,484375
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 2 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 2 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
2
= 1⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 2 = (10)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 2 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.
2 -> 2:2 = 1 Rest 0, also kommt nun an die 20-Stelle eine 0.
2 = 1⋅2 + 0, also 2 = ( 1⋅2 + 0)⋅1 = 1⋅2 + 0⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 21-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 2 = ( 0⋅2 + 1)⋅2 + 0⋅1 = 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 2 = (10)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 2 = (10)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 2,484375 = (10,0111.11)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 3,0703125 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 3,0703125 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 3,0703125 = 3 + 0,0703125
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 3 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 3 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
3 = 2 + 1
= 1⋅2 + 1⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 3 = (11)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 3 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.
3 -> 3:2 = 1 Rest 1, also kommt nun an die 20-Stelle eine 1.
3 = 1⋅2 + 1, also 3 = ( 1⋅2 + 1)⋅1 = 1⋅2 + 1⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 21-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 3 = ( 0⋅2 + 1)⋅2 + 1⋅1 = 0⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 3 = (11)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,0703125 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.
0.0703125 -> 0.0703125⋅2 = 0.140625, da 0.140625<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.0703125⋅ = 0.140625⋅, also ist 0.0703125 = 0⋅ + 0.140625⋅
0.140625 -> 0.140625⋅2 = 0.28125, da 0.28125<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.140625⋅ = 0.28125⋅, also ist 0.0703125 = 0⋅ + 0⋅ + 0.28125⋅
0.28125 -> 0.28125⋅2 = 0.5625, da 0.5625<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.28125⋅ = 0.5625⋅, also ist 0.0703125 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.5625⋅
0.5625 -> 0.5625⋅2 = 1.125, da 1.125>1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 1
0.5625⋅ = 1.125⋅, also ist 0.0703125 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.125⋅
0.125 -> 0.125⋅2 = 0.25, da 0.25<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0
0.125⋅ = 0.25⋅, also ist 0.0703125 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 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 0.0703125 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 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 0.0703125 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.0703125 ist somit 0,0001001
Zusammen mit der 3 = (11)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 3,0703125 = (11,0001.001)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(11,0001.001)2 = (1,1000.1001)2 ⋅ 21 (Normierte Darstellung)
Eigentlich müsste man die letzte Binärstelle runden, aber der Einfachheit wegen schneiden wir einfach nur ab!
Das Vorzeichen-Bit ist 0, da 3.0703125 positiv ist.
Wegen der ⋅ 21 ist der Exponent ist 1 + 127 (Exzess) = 128, oder eben (1000.0000)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 10000000 100.0100.1000.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 4,15 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 4,15 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 4,15 = 4 + 0,15
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 4 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 4 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
4
= 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 4 = (100)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 4 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.
4 -> 4:2 = 2 Rest 0, also kommt nun an die 20-Stelle eine 0.
4 = 2⋅2 + 0, also 4 = ( 2⋅2 + 0)⋅1 = 2⋅2 + 0⋅1
2 -> 2:2 = 1 Rest 0, also kommt nun an die 21-Stelle eine 0.
2 = 1⋅2 + 0, also 4 = ( 1⋅2 + 0)⋅2 + 0⋅1 = 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 22-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 4 = ( 0⋅2 + 1)⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 0⋅8 + 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 4 = (100)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,15 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.
0.15 -> 0.15⋅2 = 0.3, da 0.3<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.15⋅ = 0.3⋅, also ist 0.15 = 0⋅ + 0.3⋅
0.3 -> 0.3⋅2 = 0.6, da 0.6<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.3⋅ = 0.6⋅, also ist 0.15 = 0⋅ + 0⋅ + 0.6⋅
0.6 -> 0.6⋅2 = 1.2, da 1.2>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.6⋅ = 1.2⋅, also ist 0.15 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.2⋅
0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0
0.2⋅ = 0.4⋅, also ist 0.15 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.4⋅
0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0
0.4⋅ = 0.8⋅, also ist 0.15 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.8⋅
0.8 -> 0.8⋅2 = 1.6, da 1.6>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1
0.8⋅ = 1.6⋅, also ist 0.15 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.6⋅
0.6 -> 0.6⋅2 = 1.2, da 1.2>1 ist, kommt nun an die 2-7-Stelle eine 1
0.6⋅ = 1.2⋅, also ist 0.15 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0.2⋅
0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-8-Stelle eine 0
0.2⋅ = 0.4⋅, also ist 0.15 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.4⋅
0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-9-Stelle eine 0
0.4⋅ = 0.8⋅, also ist 0.15 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 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 0.15 ist somit (0,0010.0110.0110.0110.0110.0110.0110.011)2
Zusammen mit der 4 = (100)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 4,15 = (100,0010.0110.0110.0110.0110.0110.0110.0)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(100,0010.0110.0110.0110.0110.0110.0110.0)2 = (1,0000.1001.1001.1001.1001.1001.1001.100)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 4.15 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 000.0100.1100.1100.1100.1100
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 1 | 1 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 1 | 1 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0100.1101)2 = 77.
Bestimme -77 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 (0100.1101)2
zu (1011.0010)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | - | ( | 0 | 0 | 1 | 1 | . | 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 (0011.1100)2
zu (1100.0011)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0110.0001)2 und -b = (1100.0100)2 addieren:
| ( | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | |||||
| 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 |
Da wir ja aber nur 8-Bit Speicherplatz haben "verpufft der Overflow" und als Ergebnis stehen nur die 8 rechten Bit:
(0010.0101)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(111.0101)2 ⋅ (101.1000)2 =
Der zweite Faktor (101.1000)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 | ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | |||
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 |
somit gilt:
(111.0101)2 ⋅ (101.1000)2 = 111.0101 ⋅ (100.0000 + 1.0000 + 1000)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(111.0101)2 ⋅ (101.1000)2 = (1.1101.0100.0000)2 + (111.0101.0000)2 + (11.1010.1000)2
Diese 3 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
| ( | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (10.1000.0011.1000)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 117 ⋅ 88 = 10296)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(1.0000.0101)2 : (1001)2 =
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | : | 1 | 0 | 0 | 1 | = | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| - | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| - | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| - | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| - | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (10000)2 - (1001)2 = (111)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 16 - 9 = 7
- Die obige Differenz (01110)2 - (1001)2 = (101)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 14 - 9 = 5
- Die obige Differenz (01011)2 - (1001)2 = (10)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 11 - 9 = 2
- Die obige Differenz (01001)2 - (1001)2 = (0)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 9 - 9 = 0
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 261 : 9 = 29)
