Aufgabenbeispiele von Informatik
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Binär und Hexdezimal aus Dezimal
Beispiel:
Gib die Zahl 156 sowohl im Binär- als auch im Hexdezimalsystem an.
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 156 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
156 = 128 + 28 = 128 + 16 + 12 = 128 + 16 + 8 + 4
= 1⋅128 + 0⋅64 + 0⋅32 + 1⋅16 + 1⋅8 + 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 156 = (1001.1100)2
Um die Zahl 156 als Hexadzimalzahl auszugeben, gibt es zwei Möglichkeiten:
Theoretisch könnte man 156 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:
(1001)2 = 1⋅8 + 0⋅4 + 0⋅2 + 1⋅1 = 9 = (9)16
(1100)2 = 1⋅8 + 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 12 = (C)16
Somit ergibt sich die Hexadezimaldarstellung von (1001.1100)2 = (9C)16
endliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 7,2578125 als binäre Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 7,2578125 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 7,2578125 = 7 + 0,2578125
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 0,2578125 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.
0.2578125 -> 0.2578125⋅2 = 0.515625, da 0.515625<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0.2578125⋅ = 0.515625⋅, also ist 0.2578125 = 0⋅ + 0.515625⋅
0.515625 -> 0.515625⋅2 = 1.03125, da 1.03125>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1
0.515625⋅ = 1.03125⋅, also ist 0.2578125 = 0⋅ + 1⋅ + 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 0.2578125 = 0⋅ + 1⋅ + 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 0.2578125 = 0⋅ + 1⋅ + 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 0.2578125 = 0⋅ + 1⋅ + 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 0.2578125 = 0⋅ + 1⋅ + 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 0.2578125 = 0⋅ + 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.2578125 ist somit 0,0100001
Zusammen mit der 7 = (111)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 7,2578125 = (111,0100.001)2
endliche binäre Komma-Zahl 32Bit
Beispiel:
Gib die Zahl 4,515625 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 4,515625 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 4,515625 = 4 + 0,515625
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 4 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 4 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
4
= 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 4 = (100)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 4 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.
4 -> 4:2 = 2 Rest 0, also kommt nun an die 20-Stelle eine 0.
4 = 2⋅2 + 0, also 4 = ( 2⋅2 + 0)⋅1 = 2⋅2 + 0⋅1
2 -> 2:2 = 1 Rest 0, also kommt nun an die 21-Stelle eine 0.
2 = 1⋅2 + 0, also 4 = ( 1⋅2 + 0)⋅2 + 0⋅1 = 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 22-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 4 = ( 0⋅2 + 1)⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 0⋅8 + 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 4 = (100)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0,515625 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.
0.515625 -> 0.515625⋅2 = 1.03125, da 1.03125>1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 1
0.515625⋅ = 1.03125⋅, also ist 0.515625 = 1⋅ + 0.03125⋅
0.03125 -> 0.03125⋅2 = 0.0625, da 0.0625<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0
0.03125⋅ = 0.0625⋅, also ist 0.515625 = 1⋅ + 0⋅ + 0.0625⋅
0.0625 -> 0.0625⋅2 = 0.125, da 0.125<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0
0.0625⋅ = 0.125⋅, also ist 0.515625 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 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 0.515625 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 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 0.515625 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 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 0.515625 = 1⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 0⋅ + 1⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0.515625 ist somit 0,100001
Zusammen mit der 4 = (100)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 4,515625 = (100,1000.01)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(100,1000.01)2 = (1,0010.0001)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 4.515625 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 001.0000.1000.0000.0000.0000
unendliche binäre Komma-Zahl
Beispiel:
Gib die Zahl 4 als binäre 32-Bit Kommazahl an.
Wir zerlegen die Zahl 4 in ihre ganze Zahl (Interger) und ihren Rest als Kommazahl,
also 4 = 4 + 0
Jetzt wandeln wir ersmal die ganze Integer-Zahl 4 in eine Binärzahl um:
Zuerst versuchen wir Schritt für Schritt die Zahl 4 als Summe von 2er-Potenzen (siehe rechts) zu schreiben:
4
= 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
Somit ergibt sich die Binärdarstellung von 4 = (100)2
Es hätte auch einen schnelleren Weg gegeben um die Binärdarstellung der ganzen Zahl 4 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.
4 -> 4:2 = 2 Rest 0, also kommt nun an die 20-Stelle eine 0.
4 = 2⋅2 + 0, also 4 = ( 2⋅2 + 0)⋅1 = 2⋅2 + 0⋅1
2 -> 2:2 = 1 Rest 0, also kommt nun an die 21-Stelle eine 0.
2 = 1⋅2 + 0, also 4 = ( 1⋅2 + 0)⋅2 + 0⋅1 = 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
1 -> 1:2 = 0 Rest 1, also kommt nun an die 22-Stelle eine 1.
1 = 0⋅2 + 1, also 4 = ( 0⋅2 + 1)⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1 = 0⋅8 + 1⋅4 + 0⋅2 + 0⋅1
So erhalten wir die Binärdarstellung von 4 = (100)2
Jetzt müssenn wir noch die Nachkommastellen 0 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 -> 0⋅2 = 0, da 0<1 ist, kommt nun an die 2-1-Stelle eine 0
0⋅ = 0⋅, also ist 0 = 0⋅ + 0⋅
Die Binärdarstellung von 0 ist somit 0,0
Zusammen mit der 4 = (100)2 von oben ergibt sich somit die binäre Kommazahl 4 = (100,0)2
Darstellung als 32-Bit Kommazahl:
(100,0)2 = (1,0)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 4 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 000.0000.0000.0000.0000.0000
Binäres Addieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 |
Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:
| ( | 1 | 1 | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 |
negative Binärzahlen
Beispiel:
Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0110.1001)2 = 105.
Bestimme -105 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 (0110.1001)2
zu (1001.0110)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | . | 0 | 1 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | )2 |
Binäres Subtrahieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
| ( | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 | - | ( | 0 | 0 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 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 (0010.0101)2
zu (1101.1010)2
Jetzt müssen wir nur noch die binäre 1 auf diese invertierte Zahl draufaddieren:
| ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 | + | ( | 0 | 0 | 0 | 0 | . | 0 | 0 | 0 | 1 | )2 | |||||
| ( | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 |
Jetzt können wir einfach a=(0101.1101)2 und -b = (1101.1011)2 addieren:
| ( | 0 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 1 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | )2 | |||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | )2 |
Da wir ja aber nur 8-Bit Speicherplatz haben "verpufft der Overflow" und als Ergebnis stehen nur die 8 rechten Bit:
(0011.1000)2
Binäres Multiplizieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(110.0101)2 ⋅ (11)2 =
Der zweite Faktor (11)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:
| ( | 1 | )2 | + | ( | 1 | 0 | )2 | ||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 1 | )2 |
somit gilt:
(110.0101)2 ⋅ (11)2 = 110.0101 ⋅ (10 + 1)
Das Multiplizieren mit einer 2-er-Potenz bedeutet aber ja, dass man einfach die entsprechende Anzahl an Nullen hintenanhängt, somit gilt:
(110.0101)2 ⋅ (11)2 = (1100.1010)2 + (110.0101)2
Diese 2 Summanden können wir nun schrittweise addieren:
| ( | 1 | 1 | 0 | . | 0 | 1 | 0 | 1 | )2 | + | ( | 1 | 1 | 0 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 0 | )2 | ||||||
| 1 | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
| ( | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | )2 |
Das Ergebnis ist somit: (1.0010.1111)2
(Zum Vergleich in Dezimalzahlen: 101 ⋅ 3 = 303)
Binäres Dividieren
Beispiel:
Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:
(1001.1000)2 : (1000)2 =
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | : | 1 | 0 | 0 | 0 | = | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| - | 1 | 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 | 0 |
| - | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| - | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
- Die obige Differenz (1001)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 (01100)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 (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: 152 : 8 = 19)
