Aufgabenbeispiele von Informatik
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Binär und Hexdezimal aus Dezimal
Beispiel:
Gib die Zahl 163 sowohl im Binär- als auch im Hexdezimalsystem an.
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 163 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
163 = 128 + 35 = 128 + 32 + 3 = 128 + 32 + 2 + 1
= 1⋅128 + 0⋅64 + 1⋅32 + 0⋅16 + 0⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 163 = (1010.0011)2
Um die Zahl 163 als Hexadzimalzahl auszugeben, gibt es zwei Möglichkeiten:
Theoretisch könnte man 163 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:
(1010)2 = 1⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = 10 = (A)16
(0011)2 = 0⋅8 + 0⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = 3 = (3)16
Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (1010.0011)2 = (A3)16
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 5,6953125 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 5,6953125 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 5,6953125 = 5 + 0,6953125
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 5 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 5 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
5 = 4 + 1
= 1⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 5 = (101)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 5 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.
5 -> 5:2 = 2 Rest 1, also kommt nun an die 20-Stelle eine 1.
5 = 2⋅2 + 1, also 5 = ( 2⋅2 + 1)⋅1 = 2⋅2 + 1⋅1
2 -> 2:2 = 1 Rest 0, also kommt nun an die 21-Stelle eine 0.
2 = 1⋅2 + 0, also 5 = ( 1⋅2 + 0)⋅2 + 1⋅1 = 1⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 22-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 5 = ( 0⋅2 + 1)⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1 = 0⋅8 + 1⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 5 = (101)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,6953125 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.
0.6953125 -> 0.6953125⋅2 = 1.390625, da 1.390625>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.6953125⋅ = 1.390625⋅, also ist 0.6953125 = 1⋅ + 0.390625⋅
0.390625 -> 0.390625⋅2 = 0.78125, da 0.78125<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.390625⋅ = 0.78125⋅, also ist 0.6953125 = 1⋅ + 0⋅ + 0.78125⋅
0.78125 -> 0.78125⋅2 = 1.5625, da 1.5625>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.78125⋅ = 1.5625⋅, also ist 0.6953125 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.5625⋅
0.5625 -> 0.5625⋅2 = 1.125, da 1.125>1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 1
0.5625⋅ = 1.125⋅, also ist 0.6953125 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 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 0.6953125 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 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 0.6953125 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 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 0.6953125 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.6953125 ist somit 0,1011001
Zusammen mit der 5 = (101)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 5,6953125 = (101,1011.001)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 2,140625 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 2,140625 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 2,140625 = 2 + 0,140625
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 2 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 2 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
2
= 1⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 2 = (10)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 2 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.
2 -> 2:2 = 1 Rest 0, also kommt nun an die 20-Stelle eine 0.
2 = 1⋅2 + 0, also 2 = ( 1⋅2 + 0)⋅1 = 1⋅2 + 0⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 21-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 2 = ( 0⋅2 + 1)⋅2 + 0⋅1 = 0⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 2 = (10)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,140625 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.
0.140625 -> 0.140625⋅2 = 0.28125, da 0.28125<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.140625⋅ = 0.28125⋅, also ist 0.140625 = 0⋅ + 0.28125⋅
0.28125 -> 0.28125⋅2 = 0.5625, da 0.5625<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.28125⋅ = 0.5625⋅, also ist 0.140625 = 0⋅ + 0⋅ + 0.5625⋅
0.5625 -> 0.5625⋅2 = 1.125, da 1.125>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.5625⋅ = 1.125⋅, also ist 0.140625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.125⋅
0.125 -> 0.125⋅2 = 0.25, da 0.25<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0
0.125⋅ = 0.25⋅, also ist 0.140625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.25⋅
0.25 -> 0.25⋅2 = 0.5, da 0.5<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0
0.25⋅ = 0.5⋅, also ist 0.140625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.5⋅
0.5 -> 0.5⋅2 = 1, da 1>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1
0.5⋅ = 1⋅, also ist 0.140625 = 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.140625 ist somit 0,001001
Zusammen mit der 2 = (10)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 2,140625 = (10,0010.01)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(10,0010.01)2 = (1,0001.001)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 2.140625 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 000.1001.0000.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 3,25 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 3,25 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 3,25 = 3 + 0,25
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 0,25 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.
0.25 -> 0.25⋅2 = 0.5, da 0.5<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.25⋅ = 0.5⋅, also ist 0.25 = 0⋅ + 0.5⋅
0.5 -> 0.5⋅2 = 1, da 1>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1
0.5⋅ = 1⋅, also ist 0.25 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.25 ist somit 0,01
Zusammen mit der 3 = (11)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 3,25 = (11,01)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(11,01)2 = (1,101)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 3.25 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 101.0000.0000.0000.0000.0000
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
| ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | )2 | |||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0110.0010)2 = 98.
Bestimme -98 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 (0110.0010)2
zu (1001.1101)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| 1 | |||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | )2 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 | - | ( | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 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 (0101.1011)2
zu (1010.0100)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0110.0111)2 und -b = (1010.0101)2 addieren:
| ( | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Da wir ja aber nur 8-Bit Speicherplatz haben "verpufft der Overflow" und als Ergebnis stehen nur die 8 rechten Bit:
(0000.1100)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(110.1111)2 ⋅ (101.0100)2 =
Der zweite Faktor (101.0100)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
| ( | 1 | 0 | 0 | )2 | ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | ||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
somit gilt:
(110.1111)2 ⋅ (101.0100)2 = 110.1111 ⋅ (100.0000 + 1.0000 + 100)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(110.1111)2 ⋅ (101.0100)2 = (1.1011.1100.0000)2 + (110.1111.0000)2 + (1.1011.1100)2
Diese 3 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
| ( | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (10.0100.0110.1100)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 111 ⋅ 84 = 9324)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(1100.1000)2 : (1000)2 =
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | : | 1 | 0 | 0 | 0 | = | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| - | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| - | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| - | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (1100)2 - (1000)2 = (100)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 12 - 8 = 4
- Die obige Differenz (01001)2 - (1000)2 = (1)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 9 - 8 = 1
- Die obige Differenz (01000)2 - (1000)2 = (0)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 8 - 8 = 0
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 200 : 8 = 25)
