Aufgabenbeispiele von Informatik
Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen
Binär und Hexdezimal aus Dezimal
Beispiel:
Gib die Zahl 41 sowohl im Binär- als auch im Hexdezimalsystem an.
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 41 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
41 = 32 + 9 = 32 + 8 + 1
= 1⋅32 + 0⋅16 + 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 41 = (10.1001)2
Um die Zahl 41 als Hexadzimalzahl auszugeben, gibt es zwei Möglichkeiten:
Theoretisch könnte man 41 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:
(10)2 = 1⋅2 + 0⋅1 = 2 = (2)16
(1001)2 = 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1 = 9 = (9)16
Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (10.1001)2 = (29)16
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 3,140625 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 3,140625 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 3,140625 = 3 + 0,140625
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 0,140625 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 3 = (11)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 3,140625 = (11,0010.01)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 3,796875 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 3,796875 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 3,796875 = 3 + 0,796875
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 0,796875 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.
0.796875 -> 0.796875⋅2 = 1.59375, da 1.59375>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.796875⋅ = 1.59375⋅, also ist 0.796875 = 1⋅ + 0.59375⋅
0.59375 -> 0.59375⋅2 = 1.1875, da 1.1875>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1
0.59375⋅ = 1.1875⋅, also ist 0.796875 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.796875 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.796875 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.796875 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.796875 = 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.796875 ist somit 0,110011
Zusammen mit der 3 = (11)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 3,796875 = (11,1100.11)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(11,1100.11)2 = (1,1110.011)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 3.796875 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 111.0011.0000.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 14,9 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 14,9 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 14,9 = 14 + 0,9
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 14 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 14 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
14 = 8 + 6 = 8 + 4 + 2
= 1⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 14 = (1110)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 14 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.
14 -> 14:2 = 7 Rest 0, also kommt nun an die 20-Stelle eine 0.
14 = 7⋅2 + 0, also 14 = ( 7⋅2 + 0)⋅1 = 7⋅2 + 0⋅1
7 -> 7:2 = 3 Rest 1, also kommt nun an die 21-Stelle eine 1.
7 = 3⋅2 + 1, also 14 = ( 3⋅2 + 1)⋅2 + 0⋅1 = 3⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
3 -> 3:2 = 1 Rest 1, also kommt nun an die 22-Stelle eine 1.
3 = 1⋅2 + 1, also 14 = ( 1⋅2 + 1)⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = 1⋅8 + 1⋅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 14 = ( 0⋅2 + 1)⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1 = 0⋅16 + 1⋅8 + 1⋅4 + 1⋅2 + 0⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 14 = (1110)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,9 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.
0.9 -> 0.9⋅2 = 1.8, da 1.8>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.9⋅ = 1.8⋅, also ist 0.9 = 1⋅ + 0.8⋅
0.8 -> 0.8⋅2 = 1.6, da 1.6>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1
0.8⋅ = 1.6⋅, also ist 0.9 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.9 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.9 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.9 = 1⋅ + 1⋅ + 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 0.9 = 1⋅ + 1⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0.6⋅
Die 0.8 (und dann 0.8⋅2 = 1.6) 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 0.8, 0.6, 0.2 und 0.4 mit den Binärzahlen 1100.
Die Binärdarstellung von 0.9 ist somit (0,1110.0110.0110.0110.0110.0110.0110.011)2
Zusammen mit der 14 = (1110)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 14,9 = (1110,1110.0110.0110.0110.0110.0110.0110)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(1110,1110.0110.0110.0110.0110.0110.0110)2 = (1,1101.1100.1100.1100.1100.1100.1100.110)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 14.9 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 110.1110.0110.0110.0110.0110
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
( | 1 | 1 | 1 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 | |||||
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
( | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0111.0110)2 = 118.
Bestimme -118 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 (0111.0110)2
zu (1000.1001)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
( | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
1 | |||||||||||||||||||||||||||
( | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
( | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 | - | ( | 0 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )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 (0010.0100)2
zu (1101.1011)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
( | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0110.0011)2 und -b = (1101.1100)2 addieren:
( | 0 | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 1 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | )2 | |||||
1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
( | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 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:
(0011.1111)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(110.1010)2 ⋅ (10.1010)2 =
Der zweite Faktor (10.1010)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
( | 1 | 0 | )2 | ( | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | ||||||||
( | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 |
somit gilt:
(110.1010)2 ⋅ (10.1010)2 = 110.1010 ⋅ (10.0000 + 1000 + 10)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(110.1010)2 ⋅ (10.1010)2 = (1101.0100.0000)2 + (11.0101.0000)2 + (1101.0100)2
Diese 3 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 | ||
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||||
( | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:
( | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 0 | )2 |
1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
( | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (1.0001.0110.0100)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 106 ⋅ 42 = 4452)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(1010.0000)2 : (1000)2 =
1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | : | 1 | 0 | 0 | 0 | = | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
- | 1 | 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 | 0 |
- | 0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
- | 0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (1010)2 - (1000)2 = (10)2 kann man entweder mit binärer Subtraktion berechnen oder - oft schneller - durch Umrechnen in Dezimalzahlen: 10 - 8 = 2
- 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: 160 : 8 = 20)