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.
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.
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:
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⋅ = 0.015625⋅, also ist 0.0078125 = 0⋅ + 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 0.0078125 = 0⋅ + 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 0.0078125 = 0⋅ + 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 0.0078125 = 0⋅ + 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 0.0078125 = 0⋅ + 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 0.0078125 = 0⋅ + 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 0.0078125 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
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.
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:
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⋅ = 1.171875⋅, also ist 0.5859375 = 1⋅ + 0.171875⋅
0.171875 -> 0.171875⋅2 = 0.34375, da 0.34375<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.171875⋅ = 0.34375⋅, also ist 0.5859375 = 1⋅ + 0⋅ + 0.34375⋅
0.34375 -> 0.34375⋅2 = 0.6875, da 0.6875<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.34375⋅ = 0.6875⋅, also ist 0.5859375 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.6875⋅
0.6875 -> 0.6875⋅2 = 1.375, da 1.375>1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 1
0.6875⋅ = 1.375⋅, also ist 0.5859375 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.375⋅
0.375 -> 0.375⋅2 = 0.75, da 0.75<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0
0.375⋅ = 0.75⋅, also ist 0.5859375 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.75⋅
0.75 -> 0.75⋅2 = 1.5, da 1.5>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1
0.75⋅ = 1.5⋅, also ist 0.5859375 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.5859375 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
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.
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:
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⋅ = 1.3⋅, also ist 0.65 = 1⋅ + 0.3⋅
0.3 -> 0.3⋅2 = 0.6, da 0.6<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.3⋅ = 0.6⋅, also ist 0.65 = 1⋅ + 0⋅ + 0.6⋅
0.6 -> 0.6⋅2 = 1.2, da 1.2>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1
0.6⋅ = 1.2⋅, also ist 0.65 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.2⋅
0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0
0.2⋅ = 0.4⋅, also ist 0.65 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.4⋅
0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0
0.4⋅ = 0.8⋅, also ist 0.65 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.8⋅
0.8 -> 0.8⋅2 = 1.6, da 1.6>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1
0.8⋅ = 1.6⋅, also ist 0.65 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.6⋅
0.6 -> 0.6⋅2 = 1.2, da 1.2>1 ist, kommt nun an die 2-7-Stelle eine 1
0.6⋅ = 1.2⋅, also ist 0.65 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0.2⋅
0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-8-Stelle eine 0
0.2⋅ = 0.4⋅, also ist 0.65 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.4⋅
0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-9-Stelle eine 0
0.4⋅ = 0.8⋅, also ist 0.65 = 1⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.65 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 | . | 0 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 1 | 0 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
( | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 1 | 0 | )2 | |
1 | |||||||||||||||||||||||||||
( | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0110.1000)2 = 104.
Bestimme -104 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 (0110.1000)2
zu (1001.0111)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||||||
( | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
( | 0 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 | - | ( | 0 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 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 (0010.0011)2
zu (1101.1100)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
( | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0100.0111)2 und -b = (1101.1101)2 addieren:
( | 0 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 | |||||
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||
( | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 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:
(0010.0100)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(101.1000)2 ⋅ (1000.0100)2 =
Der zweite Faktor (1000.0100)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
( | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | |||||||||||
( | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | )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 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
( | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | )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 =
1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | : | 1 | 0 | 1 | 0 | = | 1 | 0 | 0 | 1 |
- | 1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
- | 0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
- | 0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
- | 1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 0 | 0 | 0 |
- 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)