23/2 = 11, Rest: 1
11/2 = 5,   Rest: 1
5/2 = 2,   Rest: 1
2/2 = 1,   Rest: 0
1/2 = 0,   Rest: 1

Für den Nachkommateil muss man sich ein klein wenig mehr Mühe geben, aber das ist auch nicht sehr schwierig. Statt durch 2 zu teilen, multiplizieren wir einfach mit 2 und schauen, ob das Ergebnis größer als 1 ist; wenn ja, steht an der entsprechenden Stelle (diesmal in der “normalen” Reihenfolge von links nach rechts) eine 1 und man fährt mit der um 1 reduzierten Zahl fort, ansonsten steht eine 0 und es geht direkt weiter. Die Rechnung selber ist aber weitaus anschaulicher als eine Erklärung, daher hier die Tabelle:

0.625*2 = 1.25, Bit: 1
0.25*2 = 0.5,   Bit: 0
0.5*2 = 1.0,   Bit: 1
0.0*2 = 0.0,   Bit: 0

Insgesamt ergibt sich also die Festkommazahl 10111.10100000… als Repräsentation der 23.625; zur Kontrolle:

101112 = 1*24 + 0*23 + 1*22 + 1*21 + 1*20 = 16 + 4 + 2 + 1 = 23

und

101.2 = 1*2-1 + 0*2-2 + 1*2-3 = 0.5 + 0.125 = 0.625.

Zur Normalisierung muss das Komma in dieser Zahl nun um 4 Stellen nach links verschoben werden; das entspricht einer Multiplikation mit 24, ganz so wie im Dezimalsystem. Für die normalisierte Darstellung erhalten wir also: 1.011110100000 * 24. Die Mantisse ist also 101111012 und der Exponent 410 = 1002. Nun muss noch der Bias auf den Exponenten addiert werden; bei 32-Bit-Zahlen ist das in der Regel 127, also erhalten wir für den Exponenten 13110 = 100000112. Setzen wir alle gesammelten Zahlen zusammen (wir erinnern uns: die führende 1 der Mantisse kann ignoriert werden), ergibt sich demzufolge:

23.62510 = 0 10000011 011110100000000000000002

So schwer ist es also gar nicht. Gleitkommazahlen haben gegenüber Festkommazahlen den großen Vorteil, dass auch sehr große und sehr kleine Zahlen dargestellt werden können, indem der Exponent sehr groß beziehungsweise sehr klein wird. Ganz unproblematisch ist das allerdings nicht: je größer der Exponent ist, desto weniger Bits stehen zur Verfügung, um die niederwertigen Ziffern der Zahl darzustellen. Hat der Exponent zum Beispiel den Wert 23, so muss das (gedachte) Komma der gespeicherten Mantisse um 23 Stellen nach rechts geschoben werden – die dadurch entstehende Festkommazahl hat dementsprechend gar keine Nachkommastellen mehr. Je größer der Exponent wird, desto mehr niederwertige Stellen der Zahl gehen demzufolge verloren. Und genau hier liegt das eigentliche Problem der Gleitkommazahlen; mit steigender Größe der Zahlen (im positiven wie im negativen Bereich) werden auch die Lücken zwischen den darstellbaren Zahlen immer größer. Die Wikipedia bietet hierfür eine schöne Abbildung; gezeigt sind die darstellbaren Zahlen für verschiedene Mantissenlängen. Jeder Kreis markiert eine Zahl, die als Gleitkommazahl nach dem vorgestellten Schema dargestellt werden kann. Es ist leicht zu sehen, dass insbesondere bei kurzer Mantissenlänge die Abstände zwischen den Zahlen immer größer werden (bei größerer Mantissenlänge verschiebt sich das Problem einfach in höhere Wertebereiche).

i-674f406a49acef0525a9ccc27f235808-Gleitkomma.png
Man kann sich leicht vorstellen, dass das zu Problemen verschiedener Art führen kann. Insbesondere beim Rechnen mit Gleitkommazahlen ergeben sich daraus bestimmte Dinge, die unbedingt beachtet werden müssen. Welche das sind (und wie man überhaupt damit rechnet), erkläre ich aber im nächsten Teil.

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Kommentare (12)

  1. #1 Eckbert
    September 8, 2011

    Ein interessanter Artikel, den ich als (freiberuflicher) Programmierern gut nachvollziehen konnte. Gerade Vergleiche von zwei Gleitkommazahlen miteinander sind manchmal ein nicht zu unterschätzendes Problem.

  2. #2 rolak
    September 8, 2011

    Schöner Einführungstext – etwas verwirrend mag vielleicht sein, daß im Zuge der Umwandlung von 23.625 von Festkommazahlen die Rede ist, wo doch Fließkomma angesagt ist, oder wurde vorher explizit die Position des ‘Kommas’ im Bitstrom festgelegt. Ist halt nur unnormalisiert bzw ‘wie im täglichen Leben üblich’: Macht 12.95€ 😉
    Was vielleicht noch fehlt, ist der Hinweis daß wegen des hidden bit (der impliziten 1 vor dem Komma) die Null eine besondere Darstellung bekommt. (=>IEEE 754). Habe doch hoffentlich nicht die Einstiegspointe von Teil#2 verraten?

    Nö, Eckbert, gerade Vergleiche sind bei der üblichen Darstellung (biased exp) das Einfachste überhaupt – und komplizierter als eine Subtraktion kann es in keinem Format werden…

  3. #3 Marcus Frenkel
    September 8, 2011

    @rolak
    Doch. Die Pointe wurde jetzt versaut. 😉
    Aber schön, dass jemand mitdenkt. Mal sehen, ob ich die Festkommasache noch besser formulieren kann, danke.

  4. #4 LadyDarknis
    September 9, 2011

    0*2³ = 4 ?? / alles mit 0* = 0 | denke aber das es ehr Schreibfehler sind.
    Also für mich nachvollziehbar da ich Zahlen + PC Freak bin,
    aber für einen ich sag mal Otto-Normal Menschen
    nicht mal ansatzweise Verständlich beschrieben.
    Zumal das Thema eigentlich heißen müsste.
    PC´s können mangels Ressourcen nicht 100% richtig Rechnen.
    Und das ist schon bekannt seit der Zeit wo noch Bugs
    durch die Rechenmaschinen gelaufen sind.

    mfG LadyDarknis

  5. #5 Marcus Frenkel
    September 9, 2011

    @LadyDarknis
    Das “0*2³ = 4” haben Sie falsch interpretiert. Die 4 stammt von der Teilgleichung 1*2², den Teil 0*2³ habe ich beim Summieren weggelassen, da ohnehin 0.

    Könnten Sie näher erläutern, warum die Thematik für einen “Otto-Normal Menschen” “nicht mal ansatzweise Verständlich beschrieben” ist? Ich bin für konstruktive Kritik immer dankbar.

  6. #6 LadyDarknis
    September 9, 2011

    Im Artikel werden Grundlegende Zahllehren so wie PC Kenntnisse vorausgesetzt.
    Das Binäre-System wird nicht einmal Erklärt oder Benannt.
    Genauso ist nicht Erklärt was ein Bit ist oder dieser sich Aufbaut.
    Wo das doch genau der Kern der Problematik ist.

    Sicher ist das alles dann Recht aufwendig,
    aber den interessierten Leser sollte man so wenigstens einen Einstieg geben.
    Erst dann kann dieser Verstehen das eigentlich nicht der Rechner das Problem ist,
    sondern die Beschränktheit der heutigen Möglichkeiten/Mittel/Ressourcen.
    Die gemachten Rechnungen sollten anders dargestellt werden
    zur besseren Nachvollziehbarkeit.(Tabelle)

    p.s. wenn die Rechenmaschinen von heute einfach nicht mehr nur
    das Binäre-System nutzen können ( Strom | kein Strom ) sondern
    ich sag mal 3 Möglichkeiten ( Rot | Gelb | Blau ) könnten diese
    immer noch nicht 100% Richtig Rechen.

    mfG LadyDarknis

  7. #7 Marcus Frenkel
    September 9, 2011

    @LadyDarknis
    Kann es sein, dass Ihnen die vorhergehenden Artikel in diesem Blog entgangen sind, die all das erklären, was Sie anprangern? Einige davon sind sogar in diesem Artikel verlinkt, vielleicht schauen Sie da einfach nochmal drüber.

  8. #8 LadyDarknis
    September 9, 2011

    Wenn Ihre Artikel Aufeinander Aufbauen und ich das Übersehen habe,
    möchte ich mich dafür bei Ihnen Entschuldigen.
    Bitte Sie aber gleichermaßen darum das dann auch zu Schreiben,
    da die Überschrift auf eine Einleitung in ein Thema schließen lässt.
    Auch wer eine bessere Darstellungen so wie Nachvollziehbarkeit
    ihrer Rechnungen doch sehr hilfreich.

    mfG LadyDarknis

    p.s. ich wollte Sie mit meiner Kritik nicht Persönlich Angreifen

  9. #9 Marcus Frenkel
    September 9, 2011

    @LadyDarknis
    Nichts zu entschuldigen, das passiert.
    Die Links auf die Basisthemen sind allerdings, wie ich hoffe, eindeutig genug, dass jemand, der die entsprechenden Artikel noch nicht gelesen hat, beim Aufmerksamen lesen darauf gestoßen wird.

    Einige Rechnungen hätte man vielleicht etwas geschickter darstellen können, ja.

    Und ich habe die Kritik auch nicht als persönlichen Angriff aufgefasst; Kritik ist ja dafür da, dass man sich über das Gedanken macht, was man so von sich gibt – so sie denn in einer vernünftigen Form dargereicht wird (was hier ja der Fall war). Keine Sorge also. 😉

  10. #10 Matthias
    September 15, 2011

    Ich bin weder “Zahlen + PC Freak ” noch mathematisch all zu versiert. Was aber an diesem sehr verständlichen Text so unklar sein soll ist mir ein Rätsel. Natürlich musste ich ein paar Absätze mehrmals lesen, bis ich es verstanden habe. So what! Für Laien wie mich aber wunderbar aufbereitet. Weiter so und Danke dafür!

  11. #11 Axel
    Januar 5, 2015

    Vielen Dank für den Artikel – falls der noch gepflegt wird, eine Verständnisfrage:
    Müsste es nicht statt “Hat der Exponent zum Beispiel den Wert 23, so muss das (gedachte) Komma der gespeicherten Mantisse um 23 Stellen nach rechts geschoben werden” heißen: ” … um 23 Stellen nach links …”?

  12. #12 Marcus Frenkel
    Januar 5, 2015

    “nach rechts” ist schon richtig. Die Schreibweise 2*10^5 bedeutet ja zum Beispiel, das damit eigentlich die Zahl 200000 gemeint ist; von 2.0 ausgehend wird das Komma durch den Exponenten um 5 Stellen nach rechts verschoben, um zur gemeinten Zahl zu gelangen.