Aufgabenbeispiele von Informatik
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Binär und Dezimal aus Hexdezimal
Beispiel:
Gib die Zahl (128)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:
(1)16 = 1 = 1 = 1⋅1 = (1)2
(2)16 = 2 = 2 = 0⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = (0010)2
(8)16 = 8 = 8 = 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = (1000)2
Diese binären 4-er-Blöcke können dann einfach hintereinander gesetzt werden.
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von (128)16 = (1.0010.1000)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:
(1.0010.1000)2 = 0⋅1 + 0⋅2 + 0⋅4 + 1⋅8 + 0⋅16 + 1⋅32 + 0⋅64 + 0⋅128 + 1⋅256= 296
Somit ergibt sich die Dezimaldarstellung von (1.0010.1000)2 = 296
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 5,1640625 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 5,1640625 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 5,1640625 = 5 + 0,1640625
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 0,1640625 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.
0.1640625 -> 0.1640625⋅2 = 0.328125, da 0.328125<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.1640625⋅ = 0.328125⋅, also ist 0.1640625 = 0⋅ + 0.328125⋅
0.328125 -> 0.328125⋅2 = 0.65625, da 0.65625<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.328125⋅ = 0.65625⋅, also ist 0.1640625 = 0⋅ + 0⋅ + 0.65625⋅
0.65625 -> 0.65625⋅2 = 1.3125, da 1.3125>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.65625⋅ = 1.3125⋅, also ist 0.1640625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.1640625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.1640625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.1640625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.1640625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.1640625 ist somit 0,0010101
Zusammen mit der 5 = (101)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 5,1640625 = (101,0010.101)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 3,1484375 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 3,1484375 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 3,1484375 = 3 + 0,1484375
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 0,1484375 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.
0.1484375 -> 0.1484375⋅2 = 0.296875, da 0.296875<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.1484375⋅ = 0.296875⋅, also ist 0.1484375 = 0⋅ + 0.296875⋅
0.296875 -> 0.296875⋅2 = 0.59375, da 0.59375<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.296875⋅ = 0.59375⋅, also ist 0.1484375 = 0⋅ + 0⋅ + 0.59375⋅
0.59375 -> 0.59375⋅2 = 1.1875, da 1.1875>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.59375⋅ = 1.1875⋅, also ist 0.1484375 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.1875⋅
0.1875 -> 0.1875⋅2 = 0.375, da 0.375<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0
0.1875⋅ = 0.375⋅, also ist 0.1484375 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.375⋅
0.375 -> 0.375⋅2 = 0.75, da 0.75<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0
0.375⋅ = 0.75⋅, also ist 0.1484375 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.75⋅
0.75 -> 0.75⋅2 = 1.5, da 1.5>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1
0.75⋅ = 1.5⋅, also ist 0.1484375 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.1484375 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.1484375 ist somit 0,0010011
Zusammen mit der 3 = (11)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 3,1484375 = (11,0010.011)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(11,0010.011)2 = (1,1001.0011)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 3.1484375 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 100.1001.1000.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 7,15 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 7,15 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 7,15 = 7 + 0,15
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 0,15 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 7 = (111)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 7,15 = (111,0010.0110.0110.0110.0110.0110.0110.0)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(111,0010.0110.0110.0110.0110.0110.0110.0)2 = (1,1100.1001.1001.1001.1001.1001.1001.100)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 7.15 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 110.0100.1100.1100.1100.1100
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
| ( | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 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 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 | - | ( | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 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 (0101.1101)2
zu (1010.0010)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0111.0011)2 und -b = (1010.0011)2 addieren:
| ( | 0 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 |
Da wir ja aber nur 8-Bit Speicherplatz haben "verpufft der Overflow" und als Ergebnis stehen nur die 8 rechten Bit:
(0001.0110)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(111.1011)2 ⋅ (100.0100)2 =
Der zweite Faktor (100.0100)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
| ( | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | ||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
somit gilt:
(111.1011)2 ⋅ (100.0100)2 = 111.1011 ⋅ (100.0000 + 100)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(111.1011)2 ⋅ (100.0100)2 = (1.1110.1100.0000)2 + (1.1110.1100)2
Diese 2 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
| ( | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (10.0000.1010.1100)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 123 ⋅ 68 = 8364)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(11.0001)2 : (111)2 =
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | : | 1 | 1 | 1 | = | 1 | 1 | 1 |
| - | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 |
| - | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 |
| - | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (1100)2 - (111)2 = (101)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 12 - 7 = 5
- Die obige Differenz (1010)2 - (111)2 = (11)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 10 - 7 = 3
- Die obige Differenz (0111)2 - (111)2 = (0)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 7 - 7 = 0
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 49 : 7 = 7)
