Aufgabenbeispiele von Informatik
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Binär und Hexdezimal aus Dezimal
Beispiel:
Gib die Zahl 246 sowohl im Binär- als auch im Hexdezimalsystem an.
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 246 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
246 = 128 + 118 = 128 + 64 + 54 = 128 + 64 + 32 + 22 = 128 + 64 + 32 + 16 + 6 = 128 + 64 + 32 + 16 + 4 + 2
= 1⋅128 + 1⋅64 + 1⋅32 + 1⋅16 + 0⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 246 = (1111.0110)2
Um die Zahl 246 als Hexadzimalzahl auszugeben, gibt es zwei Möglichkeiten:
Theoretisch könnte man 246 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:
(1111)2 = 1⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = 15 = (F)16
(0110)2 = 0⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = 6 = (6)16
Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (1111.0110)2 = (F6)16
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 3,6015625 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 3,6015625 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 3,6015625 = 3 + 0,6015625
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 0,6015625 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.
0.6015625 -> 0.6015625⋅2 = 1.203125, da 1.203125>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.6015625⋅ = 1.203125⋅, also ist 0.6015625 = 1⋅ + 0.203125⋅
0.203125 -> 0.203125⋅2 = 0.40625, da 0.40625<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.203125⋅ = 0.40625⋅, also ist 0.6015625 = 1⋅ + 0⋅ + 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 0.6015625 = 1⋅ + 0⋅ + 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 0.6015625 = 1⋅ + 0⋅ + 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 0.6015625 = 1⋅ + 0⋅ + 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 0.6015625 = 1⋅ + 0⋅ + 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 0.6015625 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.6015625 ist somit 0,1001101
Zusammen mit der 3 = (11)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 3,6015625 = (11,1001.101)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 7,5078125 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 7,5078125 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 7,5078125 = 7 + 0,5078125
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 0,5078125 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.
0.5078125 -> 0.5078125⋅2 = 1.015625, da 1.015625>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.5078125⋅ = 1.015625⋅, also ist 0.5078125 = 1⋅ + 0.015625⋅
0.015625 -> 0.015625⋅2 = 0.03125, da 0.03125<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.015625⋅ = 0.03125⋅, also ist 0.5078125 = 1⋅ + 0⋅ + 0.03125⋅
0.03125 -> 0.03125⋅2 = 0.0625, da 0.0625<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.03125⋅ = 0.0625⋅, also ist 0.5078125 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 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 0.5078125 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 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 0.5078125 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 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 0.5078125 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 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 0.5078125 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.5078125 ist somit 0,1000001
Zusammen mit der 7 = (111)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 7,5078125 = (111,1000.001)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(111,1000.001)2 = (1,1110.0000.1)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 7.5078125 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 111.0000.0100.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 8,2 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 8,2 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 8,2 = 8 + 0,2
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 8 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 8 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
8
= 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 8 = (1000)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 8 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.
8 -> 8:2 = 4 Rest 0, also kommt nun an die 20-Stelle eine 0.
8 = 4⋅2 + 0, also 8 = ( 4⋅2 + 0)⋅1 = 4⋅2 + 0⋅1
4 -> 4:2 = 2 Rest 0, also kommt nun an die 21-Stelle eine 0.
4 = 2⋅2 + 0, also 8 = ( 2⋅2 + 0)⋅2 + 0⋅1 = 2⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
2 -> 2:2 = 1 Rest 0, also kommt nun an die 22-Stelle eine 0.
2 = 1⋅2 + 0, also 8 = ( 1⋅2 + 0)⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 23-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 8 = ( 0⋅2 + 1)⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 0⋅16 + 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 8 = (1000)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,2 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.
0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.2⋅ = 0.4⋅, also ist 0.2 = 0⋅ + 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 0.2 = 0⋅ + 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 0.2 = 0⋅ + 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 0.2 = 0⋅ + 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 0.2 = 0⋅ + 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 0.2 = 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 0.2 ist somit (0,0011.0011.0011.0011.0011.0011.0011.001)2
Zusammen mit der 8 = (1000)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 8,2 = (1000,0011.0011.0011.0011.0011.0011.0011)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(1000,0011.0011.0011.0011.0011.0011.0011)2 = (1,0000.0110.0110.0110.0110.0110.0110.011)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 8.2 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 000.0011.0011.0011.0011.0011
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0110.0011)2 = 99.
Bestimme -99 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 (0110.0011)2
zu (1001.1100)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 0 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 | - | ( | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 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 (0001.1010)2
zu (1110.0101)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| 1 | |||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0111.0011)2 und -b = (1110.0110)2 addieren:
| ( | 0 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 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:
(0101.1001)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(110.1010)2 ⋅ (111.0000)2 =
Der zweite Faktor (111.0000)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
| ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | ( | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| ( | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
somit gilt:
(110.1010)2 ⋅ (111.0000)2 = 110.1010 ⋅ (100.0000 + 10.0000 + 1.0000)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(110.1010)2 ⋅ (111.0000)2 = (1.1010.1000.0000)2 + (1101.0100.0000)2 + (110.1010.0000)2
Diese 3 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
| ( | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:
| ( | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (10.1110.0110.0000)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 106 ⋅ 112 = 11872)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(1111.1101)2 : (1011)2 =
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | : | 1 | 0 | 1 | 1 | = | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| - | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 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 (1111)2 - (1011)2 = (100)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 15 - 11 = 4
- 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: 253 : 11 = 23)
