Aufgabenbeispiele von Informatik
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Binär und Dezimal aus Hexdezimal
Beispiel:
Gib die Zahl (C2)16 sowohl im Dezimal- als auch im Binärsystem an.
Als Binärzahl
Jede Ziffer im Hexadezimalsystem kann in einen 4-er-Block im Binärsystem umgewandelt werden. Dazu zerlegen wir den Wert einfach als Summe der 2-er-Potenzen 8,4,2 und 1:
(C)16 = 12 = 8 + 4 = 1⋅8 + 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = (1100)2
(2)16 = 2 = 2 = 0⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = (0010)2
Diese binären 4-er-Blöcke können dann einfach hintereinander gesetzt werden.
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von (C2)16 = (1100.0010)2
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:
(1100.0010)2 = 0⋅1 + 1⋅2 + 0⋅4 + 0⋅8 + 0⋅16 + 0⋅32 + 1⋅64 + 1⋅128= 194
Somit ergibt sich die Dezimaldarstellung von (1100.0010)2 = 194
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 2,1328125 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 2,1328125 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 2,1328125 = 2 + 0,1328125
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 0,1328125 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.
0.1328125 -> 0.1328125⋅2 = 0.265625, da 0.265625<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.1328125⋅ = 0.265625⋅, also ist 0.1328125 = 0⋅ + 0.265625⋅
0.265625 -> 0.265625⋅2 = 0.53125, da 0.53125<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.265625⋅ = 0.53125⋅, also ist 0.1328125 = 0⋅ + 0⋅ + 0.53125⋅
0.53125 -> 0.53125⋅2 = 1.0625, da 1.0625>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.53125⋅ = 1.0625⋅, also ist 0.1328125 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.0625⋅
0.0625 -> 0.0625⋅2 = 0.125, da 0.125<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0
0.0625⋅ = 0.125⋅, also ist 0.1328125 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 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 0.1328125 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 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 0.1328125 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 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 0.1328125 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.1328125 ist somit 0,0010001
Zusammen mit der 2 = (10)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 2,1328125 = (10,0010.001)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 6,3515625 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 6,3515625 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 6,3515625 = 6 + 0,3515625
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 0,3515625 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.
0.3515625 -> 0.3515625⋅2 = 0.703125, da 0.703125<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.3515625⋅ = 0.703125⋅, also ist 0.3515625 = 0⋅ + 0.703125⋅
0.703125 -> 0.703125⋅2 = 1.40625, da 1.40625>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1
0.703125⋅ = 1.40625⋅, also ist 0.3515625 = 0⋅ + 1⋅ + 0.40625⋅
0.40625 -> 0.40625⋅2 = 0.8125, da 0.8125<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.40625⋅ = 0.8125⋅, also ist 0.3515625 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 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 0.3515625 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 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 0.3515625 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 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 0.3515625 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 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 0.3515625 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.3515625 ist somit 0,0101101
Zusammen mit der 6 = (110)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 6,3515625 = (110,0101.101)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(110,0101.101)2 = (1,1001.0110.1)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 6.3515625 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 100.1011.0100.0000.0000.0000
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 | 1 | 0 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 | |||
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0100.1100)2 = 76.
Bestimme -76 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 (0100.1100)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 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | - | ( | 0 | 0 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )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 (0011.0011)2
zu (1100.1100)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0110.0100)2 und -b = (1100.1101)2 addieren:
| ( | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 |
Da wir ja aber nur 8-Bit Speicherplatz haben "verpufft der Overflow" und als Ergebnis stehen nur die 8 rechten Bit:
(0011.0001)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(100.1101)2 ⋅ (1001.0010)2 =
Der zweite Faktor (1001.0010)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
| ( | 1 | 0 | )2 | ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | ||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | )2 |
somit gilt:
(100.1101)2 ⋅ (1001.0010)2 = 100.1101 ⋅ (1000.0000 + 1.0000 + 10)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(100.1101)2 ⋅ (1001.0010)2 = (10.0110.1000.0000)2 + (100.1101.0000)2 + (1001.1010)2
Diese 3 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | . | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | |
| 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 |
Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:
| ( | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | |||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (10.1011.1110.1010)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 77 ⋅ 146 = 11242)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(1011.0100)2 : (1010)2 =
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | : | 1 | 0 | 1 | 0 | = | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| - | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| - | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (1011)2 - (1010)2 = (1)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 11 - 10 = 1
- Die obige Differenz (01010)2 - (1010)2 = (0)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 10 - 10 = 0
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 180 : 10 = 18)
