Aufgabenbeispiele von Informatik
Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen
Binär und Hexdezimal aus Dezimal
Beispiel:
Gib die Zahl 184 sowohl im Binär- als auch im Hexdezimalsystem an.
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 184 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
184 = 128 + 56 = 128 + 32 + 24 = 128 + 32 + 16 + 8
= 1⋅128 + 0⋅64 + 1⋅32 + 1⋅16 + 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 184 = (1011.1000)2
Um die Zahl 184 als Hexadzimalzahl auszugeben, gibt es zwei Möglichkeiten:
Theoretisch könnte man 184 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:
(1011)2 = 1⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = 11 = (B)16
(1000)2 = 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 8 = (8)16
Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (1011.1000)2 = (B8)16
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 3,71875 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 3,71875 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 3,71875 = 3 + 0,71875
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 0,71875 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.
0.71875 -> 0.71875⋅2 = 1.4375, da 1.4375>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.71875⋅ = 1.4375⋅, also ist 0.71875 = 1⋅ + 0.4375⋅
0.4375 -> 0.4375⋅2 = 0.875, da 0.875<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.4375⋅ = 0.875⋅, also ist 0.71875 = 1⋅ + 0⋅ + 0.875⋅
0.875 -> 0.875⋅2 = 1.75, da 1.75>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.875⋅ = 1.75⋅, also ist 0.71875 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.71875 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.71875 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.71875 ist somit 0,10111
Zusammen mit der 3 = (11)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 3,71875 = (11,1011.1)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 4,625 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 4,625 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 4,625 = 4 + 0,625
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 0,625 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.
0.625 -> 0.625⋅2 = 1.25, da 1.25>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.625⋅ = 1.25⋅, also ist 0.625 = 1⋅ + 0.25⋅
0.25 -> 0.25⋅2 = 0.5, da 0.5<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.25⋅ = 0.5⋅, also ist 0.625 = 1⋅ + 0⋅ + 0.5⋅
0.5 -> 0.5⋅2 = 1, da 1>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.5⋅ = 1⋅, also ist 0.625 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.625 ist somit 0,101
Zusammen mit der 4 = (100)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 4,625 = (100,101)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(100,101)2 = (1,0010.1)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 4.625 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 001.0100.0000.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 7,7 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 7,7 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 7,7 = 7 + 0,7
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 0,7 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.
0.7 -> 0.7⋅2 = 1.4, da 1.4>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.7⋅ = 1.4⋅, also ist 0.7 = 1⋅ + 0.4⋅
0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.4⋅ = 0.8⋅, also ist 0.7 = 1⋅ + 0⋅ + 0.8⋅
0.8 -> 0.8⋅2 = 1.6, da 1.6>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.8⋅ = 1.6⋅, also ist 0.7 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.6⋅
0.6 -> 0.6⋅2 = 1.2, da 1.2>1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 1
0.6⋅ = 1.2⋅, also ist 0.7 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0.2⋅
0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0
0.2⋅ = 0.4⋅, also ist 0.7 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.4⋅
0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 0
0.4⋅ = 0.8⋅, also ist 0.7 = 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 0.7 ist somit (0,1011.0011.0011.0011.0011.0011.0011.001)2
Zusammen mit der 7 = (111)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 7,7 = (111,1011.0011.0011.0011.0011.0011.0011.0)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(111,1011.0011.0011.0011.0011.0011.0011.0)2 = (1,1110.1100.1100.1100.1100.1100.1100.110)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 7.7 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 111.0110.0110.0110.0110.0110
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
| ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 | |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0100.1111)2 = 79.
Bestimme -79 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 (0100.1111)2
zu (1011.0000)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 0 | 1 | 0 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 | - | ( | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 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 (0001.0101)2
zu (1110.1010)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0100.1010)2 und -b = (1110.1011)2 addieren:
| ( | 0 | 1 | 0 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 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:
(0011.0101)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(111.1000)2 ⋅ (10.0010)2 =
Der zweite Faktor (10.0010)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
| ( | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | ||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | )2 |
somit gilt:
(111.1000)2 ⋅ (10.0010)2 = 111.1000 ⋅ (10.0000 + 10)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(111.1000)2 ⋅ (10.0010)2 = (1111.0000.0000)2 + (1111.0000)2
Diese 2 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
| ( | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| ( | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (1111.1111.0000)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 120 ⋅ 34 = 4080)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(1010.0101)2 : (1011)2 =
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | : | 1 | 0 | 1 | 1 | = | 1 | 1 | 1 | 1 |
| - | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| - | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| - | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| - | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (10100)2 - (1011)2 = (1001)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 20 - 11 = 9
- Die obige Differenz (10011)2 - (1011)2 = (1000)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 19 - 11 = 8
- Die obige Differenz (10000)2 - (1011)2 = (101)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 16 - 11 = 5
- Die obige Differenz (01011)2 - (1011)2 = (0)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 11 - 11 = 0
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 165 : 11 = 15)
