Aufgabenbeispiele von Informatik

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Binär und Hexdezimal aus Dezimal

Beispiel:

Gib die Zahl 136 sowohl im Binär- als auch im Hexdezimalsystem an.

Lösung einblenden
20 = 1
21 = 2
22 = 4
23 = 8
24 = 16
25 = 32
26 = 64
27 = 128
28 = 256
29 = 512
...

Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 136 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:

136 = 128 + 8

= 1⋅128 + 0⋅64 + 0⋅32 + 0⋅16 + 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1

Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 136 = (1000.1000)2

Um die Zahl 136 als Hexadzimalzahl auszugeben, gibt es zwei Möglichkeiten:

Theoretisch könnte man 136 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:

(1000)2 = 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 8 = (8)16

(1000)2 = 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 8 = (8)16

Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (1000.1000)2 = (88)16

endliche binäre Komma-Zahl

Beispiel:

Gib die Zahl 7,0078125 als binäre Kommazahl an.

Lösung einblenden

Wir zerlegen die Zahl 7,0078125 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 7,0078125 = 7 + 0,0078125

Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 7 in eine Binärzahl um:

20 = 1
21 = 2
22 = 4
23 = 8
24 = 16
25 = 32
26 = 64
27 = 128
28 = 256
29 = 512
...

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 0,0078125 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.

0.0078125 -> 0.0078125⋅2 = 0.015625, da 0.015625<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0

0.0078125⋅ 1 1 = 0.015625⋅ 1 2 , also ist 0.0078125 = 0⋅ 1 2 + 0.015625⋅ 1 2

0.015625 -> 0.015625⋅2 = 0.03125, da 0.03125<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0

0.015625⋅ 1 2 = 0.03125⋅ 1 4 , also ist 0.0078125 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0.03125⋅ 1 4

0.03125 -> 0.03125⋅2 = 0.0625, da 0.0625<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0

0.03125⋅ 1 4 = 0.0625⋅ 1 8 , also ist 0.0078125 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0.0625⋅ 1 8

0.0625 -> 0.0625⋅2 = 0.125, da 0.125<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0

0.0625⋅ 1 8 = 0.125⋅ 1 16 , also ist 0.0078125 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0.125⋅ 1 16

0.125 -> 0.125⋅2 = 0.25, da 0.25<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0

0.125⋅ 1 16 = 0.25⋅ 1 32 , also ist 0.0078125 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 0.25⋅ 1 32

0.25 -> 0.25⋅2 = 0.5, da 0.5<1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 0

0.25⋅ 1 32 = 0.5⋅ 1 64 , also ist 0.0078125 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 0⋅ 1 64 + 0.5⋅ 1 64

0.5 -> 0.5⋅2 = 1, da 1>1 ist, kommt nun an die 2-7-Stelle eine 1

0.5⋅ 1 64 = 1⋅ 1 128 , also ist 0.0078125 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 0⋅ 1 64 + 1⋅ 1 128 + 0⋅ 1 128

Die Binärdarstellung von 0.0078125 ist somit 0,0000001

Zusammen mit der 7 = (111)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 7,0078125 = (111,0000.001)2

endliche binäre Komma-Zahl 32Bit

Beispiel:

Gib die Zahl 6,5859375 als binäre 32-Bit Kommazahl an.

Lösung einblenden

Wir zerlegen die Zahl 6,5859375 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 6,5859375 = 6 + 0,5859375

Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 6 in eine Binärzahl um:

20 = 1
21 = 2
22 = 4
23 = 8
24 = 16
25 = 32
26 = 64
27 = 128
28 = 256
29 = 512
...

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 0,5859375 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.

0.5859375 -> 0.5859375⋅2 = 1.171875, da 1.171875>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1

0.5859375⋅ 1 1 = 1.171875⋅ 1 2 , also ist 0.5859375 = 1⋅ 1 2 + 0.171875⋅ 1 2

0.171875 -> 0.171875⋅2 = 0.34375, da 0.34375<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0

0.171875⋅ 1 2 = 0.34375⋅ 1 4 , also ist 0.5859375 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0.34375⋅ 1 4

0.34375 -> 0.34375⋅2 = 0.6875, da 0.6875<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0

0.34375⋅ 1 4 = 0.6875⋅ 1 8 , also ist 0.5859375 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0.6875⋅ 1 8

0.6875 -> 0.6875⋅2 = 1.375, da 1.375>1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 1

0.6875⋅ 1 8 = 1.375⋅ 1 16 , also ist 0.5859375 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 0.375⋅ 1 16

0.375 -> 0.375⋅2 = 0.75, da 0.75<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0

0.375⋅ 1 16 = 0.75⋅ 1 32 , also ist 0.5859375 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 0.75⋅ 1 32

0.75 -> 0.75⋅2 = 1.5, da 1.5>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1

0.75⋅ 1 32 = 1.5⋅ 1 64 , also ist 0.5859375 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 1⋅ 1 64 + 0.5⋅ 1 64

0.5 -> 0.5⋅2 = 1, da 1>1 ist, kommt nun an die 2-7-Stelle eine 1

0.5⋅ 1 64 = 1⋅ 1 128 , also ist 0.5859375 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 1⋅ 1 64 + 1⋅ 1 128 + 0⋅ 1 128

Die Binärdarstellung von 0.5859375 ist somit 0,1001011

Zusammen mit der 6 = (110)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 6,5859375 = (110,1001.011)2

Darstellung als 32-Bit Kommazahl:

(110,1001.011)2 = (1,1010.0101.1)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 6.5859375 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 101.0010.1100.0000.0000.0000

unendliche binäre Komma-Zahl

Beispiel:

Gib die Zahl 3,65 als binäre 32-Bit Kommazahl an.

Lösung einblenden

Wir zerlegen die Zahl 3,65 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 3,65 = 3 + 0,65

Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 3 in eine Binärzahl um:

20 = 1
21 = 2
22 = 4
23 = 8
24 = 16
25 = 32
26 = 64
27 = 128
28 = 256
29 = 512
...

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 0,65 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.

0.65 -> 0.65⋅2 = 1.3, da 1.3>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1

0.65⋅ 1 1 = 1.3⋅ 1 2 , also ist 0.65 = 1⋅ 1 2 + 0.3⋅ 1 2

0.3 -> 0.3⋅2 = 0.6, da 0.6<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0

0.3⋅ 1 2 = 0.6⋅ 1 4 , also ist 0.65 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0.6⋅ 1 4

0.6 -> 0.6⋅2 = 1.2, da 1.2>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1

0.6⋅ 1 4 = 1.2⋅ 1 8 , also ist 0.65 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0.2⋅ 1 8

0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0

0.2⋅ 1 8 = 0.4⋅ 1 16 , also ist 0.65 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0.4⋅ 1 16

0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0

0.4⋅ 1 16 = 0.8⋅ 1 32 , also ist 0.65 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 0.8⋅ 1 32

0.8 -> 0.8⋅2 = 1.6, da 1.6>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1

0.8⋅ 1 32 = 1.6⋅ 1 64 , also ist 0.65 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 1⋅ 1 64 + 0.6⋅ 1 64

0.6 -> 0.6⋅2 = 1.2, da 1.2>1 ist, kommt nun an die 2-7-Stelle eine 1

0.6⋅ 1 64 = 1.2⋅ 1 128 , also ist 0.65 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 1⋅ 1 64 + 1⋅ 1 128 + 0.2⋅ 1 128

0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-8-Stelle eine 0

0.2⋅ 1 128 = 0.4⋅ 1 256 , also ist 0.65 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 1⋅ 1 64 + 1⋅ 1 128 + 0⋅ 1 256 + 0.4⋅ 1 256

0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-9-Stelle eine 0

0.4⋅ 1 256 = 0.8⋅ 1 512 , also ist 0.65 = 1⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 1⋅ 1 64 + 1⋅ 1 128 + 0⋅ 1 256 + 0⋅ 1 512 + 0.8⋅ 1 512

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 0.65 ist somit (0,1010.0110.0110.0110.0110.0110.0110.011)2

Zusammen mit der 3 = (11)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 3,65 = (11,1010.0110.0110.0110.0110.0110.0110.01)2

Darstellung als 32-Bit Kommazahl:

(11,1010.0110.0110.0110.0110.0110.0110.01)2 = (1,1101.0011.0011.0011.0011.0011.0011.001)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 3.65 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 110.1001.1001.1001.1001.1001

Binäres Addieren

Beispiel:

Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:

              (1.0010.0000)2
            + (1.0000.0010)2

Lösung einblenden

Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:

              (1.0010.0000)2
            + (1.0000.0010)2
              1          
             (10 0010 0010)2

negative Binärzahlen

Beispiel:

Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0110.1000)2 = 104.

Bestimme -104 als 8-Bit-Binärzahl (in der Zweierkomplement-Darstellung):

Lösung einblenden

Wir invertieren im ersten Schritt unsere Binärzahl (d.h. aus jeder 0 wird eine 1 und aus jeder 1 wird eine 0).

so wird (0110.1000)2
zu (1001.0111)2

Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:

               ( 1001.0111)2
             + ( 0000.0001)2
                      111
               ( 1001 1000)2

Binäres Subtrahieren

Beispiel:

Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:

               ( 0100.0111)2
             - ( 0010.0011)2

Lösung einblenden

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 (0010.0011)2
zu (1101.1100)2

Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:

               ( 1101.1100)2
             + ( 0000.0001)2
                         
               ( 1101 1101)2

Jetzt können wir einfach a=(0100.0111)2 und -b = (1101.1101)2 addieren:

               ( 0100.0111)2
             + ( 1101.1101)2
               1 1 11 111
              (1 0010 0100)2

Da wir ja aber nur 8-Bit Speicherplatz haben "verpufft der Overflow" und als Ergebnis stehen nur die 8 rechten Bit:

(0010.0100)2

Binäres Multiplizieren

Beispiel:

Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:

(101.1000)2 ⋅ (1000.0100)2 =

Lösung einblenden

Der zweite Faktor (1000.0100)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:

                      (100)2
             + ( 1000.0000)2
               ( 1000 0100)2

somit gilt:

(101.1000)2 ⋅ (1000.0100)2 = 101.1000 ⋅ (1000.0000 + 100)

Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:

(101.1000)2 ⋅ (1000.0100)2 = (10.1100.0000.0000)2 + (1.0110.0000)2

Diese 2 Summanden können wir nun schrittweise addieren:

              (1.0110.0000)2
     +  (10.1100.0000.0000)2
                         
        (10 1101 0110 0000)2

Das Ergebnis ist somit: (10.1101.0110.0000)2

(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 88 ⋅ 132 = 11616)

Binäres Dividieren

Beispiel:

Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:

(101.1010)2 : (1010)2 =

Lösung einblenden
1011010 : 1010 = 1001       
- 1010                        
00010                       
- 0000                       
00101                      
- 0000                      
01010                     
- 1010                     
0000                     
  • 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: 90 : 10 = 9)