Aufgabenbeispiele von Informatik
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Dezimal und Hexdezimal aus Binär
Beispiel:
Gib die Zahl (1000.0011)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:
(1000.0011)2 = 1⋅1 + 1⋅2 + 0⋅4 + 0⋅8 + 0⋅16 + 0⋅32 + 0⋅64 + 1⋅128= 131
Somit ergibt sich die Dezimaldarstellung von (1000.0011)2 = 131
Als Hexadezimalzahl
Jeder 4-er-Block wird in eine Hexadezimalzahl umgewandelt und diese werden hintereinander gesetzt:
(1000)2 = 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 8 = (8)16
(0011)2 = 0⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = 3 = (3)16
Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (1000.0011)2 = (83)16
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 4,1796875 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 4,1796875 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 4,1796875 = 4 + 0,1796875
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 0,1796875 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.
0.1796875 -> 0.1796875⋅2 = 0.359375, da 0.359375<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.1796875⋅ = 0.359375⋅, also ist 0.1796875 = 0⋅ + 0.359375⋅
0.359375 -> 0.359375⋅2 = 0.71875, da 0.71875<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.359375⋅ = 0.71875⋅, also ist 0.1796875 = 0⋅ + 0⋅ + 0.71875⋅
0.71875 -> 0.71875⋅2 = 1.4375, da 1.4375>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.71875⋅ = 1.4375⋅, also ist 0.1796875 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.4375⋅
0.4375 -> 0.4375⋅2 = 0.875, da 0.875<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0
0.4375⋅ = 0.875⋅, also ist 0.1796875 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.875⋅
0.875 -> 0.875⋅2 = 1.75, da 1.75>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1
0.875⋅ = 1.75⋅, also ist 0.1796875 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.1796875 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.1796875 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.1796875 ist somit 0,0010111
Zusammen mit der 4 = (100)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 4,1796875 = (100,0010.111)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 7,0546875 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 7,0546875 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 7,0546875 = 7 + 0,0546875
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 0,0546875 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.
0.0546875 -> 0.0546875⋅2 = 0.109375, da 0.109375<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.0546875⋅ = 0.109375⋅, also ist 0.0546875 = 0⋅ + 0.109375⋅
0.109375 -> 0.109375⋅2 = 0.21875, da 0.21875<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.109375⋅ = 0.21875⋅, also ist 0.0546875 = 0⋅ + 0⋅ + 0.21875⋅
0.21875 -> 0.21875⋅2 = 0.4375, da 0.4375<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.21875⋅ = 0.4375⋅, also ist 0.0546875 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.4375⋅
0.4375 -> 0.4375⋅2 = 0.875, da 0.875<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0
0.4375⋅ = 0.875⋅, also ist 0.0546875 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.875⋅
0.875 -> 0.875⋅2 = 1.75, da 1.75>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1
0.875⋅ = 1.75⋅, also ist 0.0546875 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.0546875 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.0546875 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.0546875 ist somit 0,0000111
Zusammen mit der 7 = (111)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 7,0546875 = (111,0000.111)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(111,0000.111)2 = (1,1100.0011.1)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 7.0546875 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 110.0001.1100.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 4,85 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 4,85 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 4,85 = 4 + 0,85
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 0,85 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 4 = (100)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 4,85 = (100,1101.1001.1001.1001.1001.1001.1001.1)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(100,1101.1001.1001.1001.1001.1001.1001.1)2 = (1,0011.0110.0110.0110.0110.0110.0110.011)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 4.85 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 001.1011.0011.0011.0011.0011
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | )2 | |||||
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
( | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0101.0100)2 = 84.
Bestimme -84 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 (0101.0100)2
zu (1010.1011)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
( | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
( | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
( | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 | - | ( | 0 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 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 (0010.0111)2
zu (1101.1000)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
( | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0110.0110)2 und -b = (1101.1001)2 addieren:
( | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
( | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | )2 |
Da wir ja aber nur 8-Bit Speicherplatz haben "verpufft der Overflow" und als Ergebnis stehen nur die 8 rechten Bit:
(0011.1111)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(110.1110)2 ⋅ (1110.0000)2 =
Der zweite Faktor (1110.0000)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
( | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | ( | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
( | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
somit gilt:
(110.1110)2 ⋅ (1110.0000)2 = 110.1110 ⋅ (1000.0000 + 100.0000 + 10.0000)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(110.1110)2 ⋅ (1110.0000)2 = (11.0111.0000.0000)2 + (1.1011.1000.0000)2 + (1101.1100.0000)2
Diese 3 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
( | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:
( | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
( | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (110.0000.0100.0000)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 110 ⋅ 224 = 24640)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(1.0010.0010)2 : (1010)2 =
1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | : | 1 | 0 | 1 | 0 | = | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
- | 1 | 0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
- | 1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
- | 1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
- | 0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
- | 1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (10010)2 - (1010)2 = (1000)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 18 - 10 = 8
- Die obige Differenz (10000)2 - (1010)2 = (110)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 16 - 10 = 6
- Die obige Differenz (01100)2 - (1010)2 = (10)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 12 - 10 = 2
- 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: 290 : 10 = 29)