Aufgabenbeispiele von Informatik

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Binär und Hexdezimal aus Dezimal

Beispiel:

Gib die Zahl 41 sowohl im Binär- als auch im Hexdezimalsystem an.

Lösung einblenden
20 = 1
21 = 2
22 = 4
23 = 8
24 = 16
25 = 32
26 = 64
27 = 128
28 = 256
29 = 512
...

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.

Lösung einblenden

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:

20 = 1
21 = 2
22 = 4
23 = 8
24 = 16
25 = 32
26 = 64
27 = 128
28 = 256
29 = 512
...

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⋅ 1 1 = 0.28125⋅ 1 2 , also ist 0.140625 = 0⋅ 1 2 + 0.28125⋅ 1 2

0.28125 -> 0.28125⋅2 = 0.5625, da 0.5625<1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 0

0.28125⋅ 1 2 = 0.5625⋅ 1 4 , also ist 0.140625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 0.5625⋅ 1 4

0.5625 -> 0.5625⋅2 = 1.125, da 1.125>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1

0.5625⋅ 1 4 = 1.125⋅ 1 8 , also ist 0.140625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0.125⋅ 1 8

0.125 -> 0.125⋅2 = 0.25, da 0.25<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0

0.125⋅ 1 8 = 0.25⋅ 1 16 , also ist 0.140625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0.25⋅ 1 16

0.25 -> 0.25⋅2 = 0.5, da 0.5<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0

0.25⋅ 1 16 = 0.5⋅ 1 32 , also ist 0.140625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 0.5⋅ 1 32

0.5 -> 0.5⋅2 = 1, da 1>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1

0.5⋅ 1 32 = 1⋅ 1 64 , also ist 0.140625 = 0⋅ 1 2 + 0⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 1⋅ 1 64 + 0⋅ 1 64

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.

Lösung einblenden

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:

20 = 1
21 = 2
22 = 4
23 = 8
24 = 16
25 = 32
26 = 64
27 = 128
28 = 256
29 = 512
...

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 1 = 1.59375⋅ 1 2 , also ist 0.796875 = 1⋅ 1 2 + 0.59375⋅ 1 2

0.59375 -> 0.59375⋅2 = 1.1875, da 1.1875>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1

0.59375⋅ 1 2 = 1.1875⋅ 1 4 , also ist 0.796875 = 1⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0.1875⋅ 1 4

0.1875 -> 0.1875⋅2 = 0.375, da 0.375<1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 0

0.1875⋅ 1 4 = 0.375⋅ 1 8 , also ist 0.796875 = 1⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0.375⋅ 1 8

0.375 -> 0.375⋅2 = 0.75, da 0.75<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0

0.375⋅ 1 8 = 0.75⋅ 1 16 , also ist 0.796875 = 1⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0.75⋅ 1 16

0.75 -> 0.75⋅2 = 1.5, da 1.5>1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 1

0.75⋅ 1 16 = 1.5⋅ 1 32 , also ist 0.796875 = 1⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 1⋅ 1 32 + 0.5⋅ 1 32

0.5 -> 0.5⋅2 = 1, da 1>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1

0.5⋅ 1 32 = 1⋅ 1 64 , also ist 0.796875 = 1⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 1⋅ 1 32 + 1⋅ 1 64 + 0⋅ 1 64

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.

Lösung einblenden

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:

20 = 1
21 = 2
22 = 4
23 = 8
24 = 16
25 = 32
26 = 64
27 = 128
28 = 256
29 = 512
...

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 1 = 1.8⋅ 1 2 , also ist 0.9 = 1⋅ 1 2 + 0.8⋅ 1 2

0.8 -> 0.8⋅2 = 1.6, da 1.6>1 ist, kommt nun an die 2-2-Stelle eine 1

0.8⋅ 1 2 = 1.6⋅ 1 4 , also ist 0.9 = 1⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 0.6⋅ 1 4

0.6 -> 0.6⋅2 = 1.2, da 1.2>1 ist, kommt nun an die 2-3-Stelle eine 1

0.6⋅ 1 4 = 1.2⋅ 1 8 , also ist 0.9 = 1⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0.2⋅ 1 8

0.2 -> 0.2⋅2 = 0.4, da 0.4<1 ist, kommt nun an die 2-4-Stelle eine 0

0.2⋅ 1 8 = 0.4⋅ 1 16 , also ist 0.9 = 1⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0.4⋅ 1 16

0.4 -> 0.4⋅2 = 0.8, da 0.8<1 ist, kommt nun an die 2-5-Stelle eine 0

0.4⋅ 1 16 = 0.8⋅ 1 32 , also ist 0.9 = 1⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 0.8⋅ 1 32

0.8 -> 0.8⋅2 = 1.6, da 1.6>1 ist, kommt nun an die 2-6-Stelle eine 1

0.8⋅ 1 32 = 1.6⋅ 1 64 , also ist 0.9 = 1⋅ 1 2 + 1⋅ 1 4 + 1⋅ 1 8 + 0⋅ 1 16 + 0⋅ 1 32 + 1⋅ 1 64 + 0.6⋅ 1 64

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:

               ( 1110.1011)2
             + ( 1100.0111)2

Lösung einblenden

Wir schreiben die beiden Binärzahlen untereinander und gehen wie beim schriftlichen Addieren von Dezimalzahlen vor:

               ( 1110.1011)2
             + ( 1100.0111)2
               1 1  1 111
              (1 1011 0010)2

negative Binärzahlen

Beispiel:

Gegeben ist die 8-Bit-Binärzahl (0111.0110)2 = 118.

Bestimme -118 als 8-Bit-Binärzahl (in der Zweierkomplement-Darstellung):

Lösung einblenden

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:

               ( 1000.1001)2
             + ( 0000.0001)2
                        1
               ( 1000 1010)2

Binäres Subtrahieren

Beispiel:

Berechne ohne die Binärzahlen in Dezimalzahlen umzuwandeln:

               ( 0110.0011)2
             - ( 0010.0100)2

Lösung einblenden

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:

               ( 1101.1011)2
             + ( 0000.0001)2
                       11
               ( 1101 1100)2

Jetzt können wir einfach a=(0110.0011)2 und -b = (1101.1100)2 addieren:

               ( 0110.0011)2
             + ( 1101.1100)2
               1 1       
              (1 0011 1111)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 =

Lösung einblenden

Der zweite Faktor (10.1010)2 lässt sich als Summe von reinen 2-er-Potenzen schreiben:

                       (10)2
                    ( 1000)2
               +  (10.0000)2
                  (10 1010)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:

               ( 1101.0100)2
          +  (11.0101.0000)2
             111 1 1     
            (100 0010 0100)2

Zu diesem Ergebnis dann die nächste Zahl dazu:

            (100.0010.0100)2
        + ( 1101.0100.0000)2
          1 1            
         (1 0001 0110 0100)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 =

Lösung einblenden
10100000 : 1000 = 10100     
- 1000                        
00100                       
- 0000                       
01000                      
- 1000                      
00000                     
- 0000                     
00000                    
- 0000                    
0000                    
  • 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)