Aufgabenbeispiele von Informatik
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Binär und Dezimal aus Hexdezimal
Beispiel:
Gib die Zahl (F0)16 sowohl im Dezimal- als auch im Binärsystem an.
Als Binärzahl
Jede Ziffer im Hexadezimalsystem kann in einen 4-er-Block im Binärsystem umgewandelt werden. Dazu zerlegen wir den Wert einfach als Summe der 2-er-Potenzen 8,4,2 und 1:
(F)16 = 15 = 8 + 4 + 2 + 1 = 1⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = (1111)2
(0)16 = 0 = 0 = 0⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = (0000)2
Diese binären 4-er-Blöcke können dann einfach hintereinander gesetzt werden.
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von (F0)16 = (1111.0000)2
Als Dezimalzahl
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:
(1111.0000)2 = 0⋅1 + 0⋅2 + 0⋅4 + 0⋅8 + 1⋅16 + 1⋅32 + 1⋅64 + 1⋅128= 240
Somit ergibt sich die Dezimaldarstellung von (1111.0000)2 = 240
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 5,9453125 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 5,9453125 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 5,9453125 = 5 + 0,9453125
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 0,9453125 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.
0.9453125 -> 0.9453125⋅2 = 1.890625, da 1.890625>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.9453125⋅ = 1.890625⋅, also ist 0.9453125 = 1⋅ + 0.890625⋅
0.890625 -> 0.890625⋅2 = 1.78125, da 1.78125>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1
0.890625⋅ = 1.78125⋅, also ist 0.9453125 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.9453125 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.9453125 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.9453125 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.9453125 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.9453125 = 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.9453125 ist somit 0,1111001
Zusammen mit der 5 = (101)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 5,9453125 = (101,1111.001)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 2,3046875 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 2,3046875 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 2,3046875 = 2 + 0,3046875
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 0,3046875 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.
0.3046875 -> 0.3046875⋅2 = 0.609375, da 0.609375<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.3046875⋅ = 0.609375⋅, also ist 0.3046875 = 0⋅ + 0.609375⋅
0.609375 -> 0.609375⋅2 = 1.21875, da 1.21875>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1
0.609375⋅ = 1.21875⋅, also ist 0.3046875 = 0⋅ + 1⋅ + 0.21875⋅
0.21875 -> 0.21875⋅2 = 0.4375, da 0.4375<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.21875⋅ = 0.4375⋅, also ist 0.3046875 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.4375⋅
0.4375 -> 0.4375⋅2 = 0.875, da 0.875<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0
0.4375⋅ = 0.875⋅, also ist 0.3046875 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.875⋅
0.875 -> 0.875⋅2 = 1.75, da 1.75>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1
0.875⋅ = 1.75⋅, also ist 0.3046875 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.3046875 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.3046875 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.3046875 ist somit 0,0100111
Zusammen mit der 2 = (10)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 2,3046875 = (10,0100.111)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(10,0100.111)2 = (1,0010.0111)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 2.3046875 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 001.0011.1000.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 5,55 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 5,55 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 5,55 = 5 + 0,55
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 0,55 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.
0.55 -> 0.55⋅2 = 1.1, da 1.1>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.55⋅ = 1.1⋅, also ist 0.55 = 1⋅ + 0.1⋅
0.1 -> 0.1⋅2 = 0.2, da 0.2<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.1⋅ = 0.2⋅, also ist 0.55 = 1⋅ + 0⋅ + 0.2⋅
0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.2⋅ = 0.4⋅, also ist 0.55 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.4⋅
0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0
0.4⋅ = 0.8⋅, also ist 0.55 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.8⋅
0.8 -> 0.8⋅2 = 1.6, da 1.6>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1
0.8⋅ = 1.6⋅, also ist 0.55 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.6⋅
0.6 -> 0.6⋅2 = 1.2, da 1.2>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1
0.6⋅ = 1.2⋅, also ist 0.55 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0.2⋅
0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-7-Stelle eine 0
0.2⋅ = 0.4⋅, also ist 0.55 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0.4⋅
0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-8-Stelle eine 0
0.4⋅ = 0.8⋅, also ist 0.55 = 1⋅ + 0⋅ + 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 0.55 ist somit (0,1000.1100.1100.1100.1100.1100.1100.110)2
Zusammen mit der 5 = (101)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 5,55 = (101,1000.1100.1100.1100.1100.1100.1100.1)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(101,1000.1100.1100.1100.1100.1100.1100.1)2 = (1,0110.0011.0011.0011.0011.0011.0011.001)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 5.55 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 011.0001.1001.1001.1001.1001
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
| ( | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | |||
| 1 | |||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0100.0111)2 = 71.
Bestimme -71 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 (0100.0111)2
zu (1011.1000)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 0 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 | - | ( | 0 | 1 | 0 | 0 | . | 1 | 1 | 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 (0100.1111)2
zu (1011.0000)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0111.0110)2 und -b = (1011.0001)2 addieren:
| ( | 0 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 |
Da wir ja aber nur 8-Bit Speicherplatz haben "verpufft der Overflow" und als Ergebnis stehen nur die 8 rechten Bit:
(0010.0111)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(111.1001)2 ⋅ (100.0101)2 =
Der zweite Faktor (100.0101)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
| ( | 1 | )2 | ( | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | |||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 |
somit gilt:
(111.1001)2 ⋅ (100.0101)2 = 111.1001 ⋅ (100.0000 + 100 + 1)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(111.1001)2 ⋅ (100.0101)2 = (1.1110.0100.0000)2 + (1.1110.0100)2 + (111.1001)2
Diese 3 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
| ( | 1 | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | ||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 |
Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:
| ( | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 1 | . | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (10.0000.1001.1101)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 121 ⋅ 69 = 8349)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(1100.1011)2 : (111)2 =
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | : | 1 | 1 | 1 | = | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| - | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 |
| - | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
| - | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| - | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 |
| - | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (1100)2 - (111)2 = (101)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 12 - 7 = 5
- Die obige Differenz (1011)2 - (111)2 = (100)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 11 - 7 = 4
- Die obige Differenz (1000)2 - (111)2 = (1)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 8 - 7 = 1
- Die obige Differenz (0111)2 - (111)2 = (0)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 7 - 7 = 0
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 203 : 7 = 29)
