Aufgabenbeispiele von Informatik
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Binär und Hexdezimal aus Dezimal
Beispiel:
Gib die Zahl 95 sowohl im Binär- als auch im Hexdezimalsystem an.
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 95 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
95 = 64 + 31 = 64 + 16 + 15 = 64 + 16 + 8 + 7 = 64 + 16 + 8 + 4 + 3 = 64 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1
= 1⋅64 + 0⋅32 + 1⋅16 + 1⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 95 = (101.1111)2
Um die Zahl 95 als Hexadzimalzahl auszugeben, gibt es zwei Möglichkeiten:
Theoretisch könnte man 95 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:
(101)2 = 1⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1 = 5 = (5)16
(1111)2 = 1⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 1⋅1 = 15 = (F)16
Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (101.1111)2 = (5F)16
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 2,046875 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 2,046875 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 2,046875 = 2 + 0,046875
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 0,046875 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.
0.046875 -> 0.046875⋅2 = 0.09375, da 0.09375<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.046875⋅ = 0.09375⋅, also ist 0.046875 = 0⋅ + 0.09375⋅
0.09375 -> 0.09375⋅2 = 0.1875, da 0.1875<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.09375⋅ = 0.1875⋅, also ist 0.046875 = 0⋅ + 0⋅ + 0.1875⋅
0.1875 -> 0.1875⋅2 = 0.375, da 0.375<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.1875⋅ = 0.375⋅, also ist 0.046875 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.375⋅
0.375 -> 0.375⋅2 = 0.75, da 0.75<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0
0.375⋅ = 0.75⋅, also ist 0.046875 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0.75⋅
0.75 -> 0.75⋅2 = 1.5, da 1.5>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1
0.75⋅ = 1.5⋅, also ist 0.046875 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 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 0.046875 = 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.046875 ist somit 0,000011
Zusammen mit der 2 = (10)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 2,046875 = (10,0000.11)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 2,5546875 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 2,5546875 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 2,5546875 = 2 + 0,5546875
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 0,5546875 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.
0.5546875 -> 0.5546875⋅2 = 1.109375, da 1.109375>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.5546875⋅ = 1.109375⋅, also ist 0.5546875 = 1⋅ + 0.109375⋅
0.109375 -> 0.109375⋅2 = 0.21875, da 0.21875<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.109375⋅ = 0.21875⋅, also ist 0.5546875 = 1⋅ + 0⋅ + 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 0.5546875 = 1⋅ + 0⋅ + 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 0.5546875 = 1⋅ + 0⋅ + 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 0.5546875 = 1⋅ + 0⋅ + 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 0.5546875 = 1⋅ + 0⋅ + 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 0.5546875 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.5546875 ist somit 0,1000111
Zusammen mit der 2 = (10)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 2,5546875 = (10,1000.111)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(10,1000.111)2 = (1,0100.0111)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 2.5546875 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 010.0011.1000.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 6,75 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 6,75 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 6,75 = 6 + 0,75
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 0,75 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.
0.75 -> 0.75⋅2 = 1.5, da 1.5>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.75⋅ = 1.5⋅, also ist 0.75 = 1⋅ + 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 0.75 = 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.75 ist somit 0,11
Zusammen mit der 6 = (110)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 6,75 = (110,11)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(110,11)2 = (1,1011)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 6.75 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 101.1000.0000.0000.0000.0000
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | . | 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 | 1 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 0 | )2 | ||||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0101.1111)2 = 95.
Bestimme -95 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 (0101.1111)2
zu (1010.0000)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 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 | 1 | 0 | . | 0 | 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 (0110.0111)2
zu (1001.1000)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0111.0110)2 und -b = (1001.1001)2 addieren:
| ( | 0 | 1 | 1 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 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:
(0000.1111)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(110.1011)2 ⋅ (1100.0001)2 =
Der zweite Faktor (1100.0001)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
| ( | 1 | )2 | ( | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | |||
| ( | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 |
somit gilt:
(110.1011)2 ⋅ (1100.0001)2 = 110.1011 ⋅ (1000.0000 + 100.0000 + 1)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(110.1011)2 ⋅ (1100.0001)2 = (11.0101.1000.0000)2 + (1.1010.1100.0000)2 + (110.1011)2
Diese 3 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
| ( | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 |
Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:
| ( | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 0 | 0 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (101.0000.1010.1011)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 107 ⋅ 193 = 20651)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(1101.1101)2 : (1101)2 =
| 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | : | 1 | 1 | 0 | 1 | = | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| - | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| - | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (1101)2 - (1101)2 = (0)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 13 - 13 = 0
- Die obige Differenz (01101)2 - (1101)2 = (0)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 13 - 13 = 0
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 221 : 13 = 17)
