Aufgabenbeispiele von Informatik

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Dezimal und Hexdezimal aus Binär

Beispiel:

Gib die Zahl (111.0011)2 sowohl im Dezimal- als auch im Hexdezimalsystem an.

Lösung einblenden

Als Dezimalzahl

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

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:

(111.0011)2 = 1⋅1 + 1⋅2 + 0⋅4 + 0⋅8 + 1⋅16 + 1⋅32 + 1⋅64= 115

Somit ergibt sich die Dezimaldarstellung von (111.0011)2 = 115

Als Hexadezimalzahl

Jeder 4-er-Block wird in eine Hexadezimalzahl umgewandelt und diese werden hintereinander gesetzt:

(111)2 = 1⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = 7 = (7)16

(0011)2 = 0⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = 3 = (3)16

Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (111.0011)2 = (73)16

endliche binäre Komma-Zahl

Beispiel:

Gib die Zahl 7,0390625 als binäre Kommazahl an.

Lösung einblenden

Wir zerlegen die Zahl 7,0390625 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 7,0390625 = 7 + 0,0390625

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 0,0390625 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.

0.0390625 -> 0.0390625⋅2 = 0.078125, da 0.078125<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0

0.0390625⋅ 1 1 = 0.078125⋅ 1 2 , also ist 0.0390625 = 0⋅ 1 2 + 0.078125⋅ 1 2

0.078125 -> 0.078125⋅2 = 0.15625, da 0.15625<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0

0.078125⋅ 1 2 = 0.15625⋅ 1 4 , also ist 0.0390625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0.15625⋅ 1 4

0.15625 -> 0.15625⋅2 = 0.3125, da 0.3125<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0

0.15625⋅ 1 4 = 0.3125⋅ 1 8 , also ist 0.0390625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0.3125⋅ 1 8

0.3125 -> 0.3125⋅2 = 0.625, da 0.625<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0

0.3125⋅ 1 8 = 0.625⋅ 1 16 , also ist 0.0390625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0.625⋅ 1 16

0.625 -> 0.625⋅2 = 1.25, da 1.25>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1

0.625⋅ 1 16 = 1.25⋅ 1 32 , also ist 0.0390625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 1⋅ 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 0.0390625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 1⋅ 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 0.0390625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 1⋅ 1 32 + 0⋅ 1 64 + 1⋅ 1 128 + 0⋅ 1 128

Die Binärdarstellung von 0.0390625 ist somit 0,0000101

Zusammen mit der 7 = (111)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 7,0390625 = (111,0000.101)2

endliche binäre Komma-Zahl 32Bit

Beispiel:

Gib die Zahl 6,2265625 als binäre 32-Bit Kommazahl an.

Lösung einblenden

Wir zerlegen die Zahl 6,2265625 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 6,2265625 = 6 + 0,2265625

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 0,2265625 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.

0.2265625 -> 0.2265625⋅2 = 0.453125, da 0.453125<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0

0.2265625⋅ 1 1 = 0.453125⋅ 1 2 , also ist 0.2265625 = 0⋅ 1 2 + 0.453125⋅ 1 2

0.453125 -> 0.453125⋅2 = 0.90625, da 0.90625<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0

0.453125⋅ 1 2 = 0.90625⋅ 1 4 , also ist 0.2265625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0.90625⋅ 1 4

0.90625 -> 0.90625⋅2 = 1.8125, da 1.8125>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1

0.90625⋅ 1 4 = 1.8125⋅ 1 8 , also ist 0.2265625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0.8125⋅ 1 8

0.8125 -> 0.8125⋅2 = 1.625, da 1.625>1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 1

0.8125⋅ 1 8 = 1.625⋅ 1 16 , also ist 0.2265625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 0.625⋅ 1 16

0.625 -> 0.625⋅2 = 1.25, da 1.25>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1

0.625⋅ 1 16 = 1.25⋅ 1 32 , also ist 0.2265625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 1⋅ 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 0.2265625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 1⋅ 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 0.2265625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 1⋅ 1 32 + 0⋅ 1 64 + 1⋅ 1 128 + 0⋅ 1 128

Die Binärdarstellung von 0.2265625 ist somit 0,0011101

Zusammen mit der 6 = (110)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 6,2265625 = (110,0011.101)2

Darstellung als 32-Bit Kommazahl:

(110,0011.101)2 = (1,1000.1110.1)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 6.2265625 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 100.0111.0100.0000.0000.0000

unendliche binäre Komma-Zahl

Beispiel:

Gib die Zahl 10,35 als binäre 32-Bit Kommazahl an.

Lösung einblenden

Wir zerlegen die Zahl 10,35 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 10,35 = 10 + 0,35

Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 10 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 10 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:

10 = 8 + 2

= 1⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1

Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 10 = (1010)2

Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 10 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.

10 -> 10:2 = 5 Rest 0, also kommt nun an die 20-Stelle eine 0.

10 = 5⋅2 + 0, also 10 = ( 5⋅2 + 0)⋅1 = 5⋅2 + 0⋅1

5 -> 5:2 = 2 Rest 1, also kommt nun an die 21-Stelle eine 1.

5 = 2⋅2 + 1, also 10 = ( 2⋅2 + 1)⋅2 + 0⋅1 = 2⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1

2 -> 2:2 = 1 Rest 0, also kommt nun an die 22-Stelle eine 0.

2 = 1⋅2 + 0, also 10 = ( 1⋅2 + 0)⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = 1⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1

1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 23-Stelle eine 1.

1 = 0⋅2 + 1, also 10 = ( 0⋅2 + 1)⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = 0⋅16 + 1⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1

So erhalten wir die Binärdarstellung von 10 = (1010)2

Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,35 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.

0.35 -> 0.35⋅2 = 0.7, da 0.7<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0

0.35⋅ 1 1 = 0.7⋅ 1 2 , also ist 0.35 = 0⋅ 1 2 + 0.7⋅ 1 2

0.7 -> 0.7⋅2 = 1.4, da 1.4>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1

0.7⋅ 1 2 = 1.4⋅ 1 4 , also ist 0.35 = 0⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0.4⋅ 1 4

0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0

0.4⋅ 1 4 = 0.8⋅ 1 8 , also ist 0.35 = 0⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0.8⋅ 1 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 8 = 1.6⋅ 1 16 , also ist 0.35 = 0⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 0.6⋅ 1 16

0.6 -> 0.6⋅2 = 1.2, da 1.2>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1

0.6⋅ 1 16 = 1.2⋅ 1 32 , also ist 0.35 = 0⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 1⋅ 1 32 + 0.2⋅ 1 32

0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 0

0.2⋅ 1 32 = 0.4⋅ 1 64 , also ist 0.35 = 0⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 1⋅ 1 32 + 0⋅ 1 64 + 0.4⋅ 1 64

0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-7-Stelle eine 0

0.4⋅ 1 64 = 0.8⋅ 1 128 , also ist 0.35 = 0⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 1⋅ 1 16 + 1⋅ 1 32 + 0⋅ 1 64 + 0⋅ 1 128 + 0.8⋅ 1 128

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 0.35 ist somit (0,0101.1001.1001.1001.1001.1001.1001.100)2

Zusammen mit der 10 = (1010)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 10,35 = (1010,0101.1001.1001.1001.1001.1001.1001)2

Darstellung als 32-Bit Kommazahl:

(1010,0101.1001.1001.1001.1001.1001.1001)2 = (1,0100.1011.0011.0011.0011.0011.0011.001)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 10.35 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 010.0101.1001.1001.1001.1001

Binäres Addieren

Beispiel:

Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:

               ( 1001.1110)2
             + ( 1101.1100)2

Lösung einblenden

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

               ( 1001.1110)2
             + ( 1101.1100)2
               1   11 1  
              (1 0111 1010)2

negative Binärzahlen

Beispiel:

Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0110.1011)2 = 107.

Bestimme -107 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 (0110.1011)2
zu (1001.0100)2

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

               ( 1001.0100)2
             + ( 0000.0001)2
                         
               ( 1001 0101)2

Binäres Subtrahieren

Beispiel:

Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:

               ( 0101.0100)2
             - ( 0100.1100)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 (0100.1100)2
zu (1011.0011)2

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

               ( 1011.0011)2
             + ( 0000.0001)2
                       11
               ( 1011 0100)2

Jetzt können wir einfach a=(0101.0100)2 und -b = (1011.0100)2 addieren:

               ( 0101.0100)2
             + ( 1011.0100)2
               1 111  1  
              (1 0000 1000)2

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

(0000.1000)2

Binäres Multiplizieren

Beispiel:

Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:

(111.1110)2 ⋅ (110.0100)2 =

Lösung einblenden

Der zweite Faktor (110.0100)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:

                      (100)2
                  (10.0000)2
              +  (100.0000)2
                 (110 0100)2

somit gilt:

(111.1110)2 ⋅ (110.0100)2 = 111.1110 ⋅ (100.0000 + 10.0000 + 100)

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

(111.1110)2 ⋅ (110.0100)2 = (1.1111.1000.0000)2 + (1111.1100.0000)2 + (1.1111.1000)2

Diese 3 Summanden können wir nun schrittweise addieren:

              (1.1111.1000)2
        + ( 1111.1100.0000)2
          1 1111 1       
         (1 0001 1011 1000)2

Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:

         (1.0001.1011.1000)2
       + (1.1111.1000.0000)2
         11 1111         
        (11 0001 0011 1000)2

Das Ergebnis ist somit: (11.0001.0011.1000)2

(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 126 ⋅ 100 = 12600)

Binäres Dividieren

Beispiel:

Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:

(110.0010)2 : (1110)2 =

Lösung einblenden
1100010 : 1110 = 111        
- 1110                       
10101                      
- 1110                      
01110                     
- 1110                     
0000                     
  • Die obige Differenz (11000)2 - (1110)2 = (1010)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 24 - 14 = 10
  • Die obige Differenz (10101)2 - (1110)2 = (111)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 21 - 14 = 7
  • Die obige Differenz (01110)2 - (1110)2 = (0)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 14 - 14 = 0

(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 98 : 14 = 7)