Современные компьютеры, основанные на «древних» электронно-вычислительных машинах, в качестве базовых принципов работы опираются на определенные постулаты. Они называются законы алгебры логики. Впервые подобная дисциплина была описана (конечно, не столь подробно, как в современном виде) древнегреческим ученым Аристотелем.

Представляя собой отдельный раздел математики, в рамках которого изучается исчисление высказываний, алгебра логики имеет ряд четко выстроенных выводов и заключений.

С тем чтобы лучше разобраться в теме, разберем понятия, которые помогут в дальнейшем узнать законы алгебры логики.

Пожалуй, основной термин в изучаемой дисциплине - высказывание. Это некое утверждение, которое не может быть одновременно ложным и истинным. Ему всегда присуща лишь одна из этих характеристик. При этом условно принято истинности придавать значение 1, ложности - 0, а само высказывание называть некой A, B, C. Иначе говоря, формула A=1 означает, что высказывание А истинно. С высказываниями можно поступать самым различным образом. Вкратце рассмотрим те действия, которые можно с ними совершать. Отметим также, что законы алгебры логики невозможно усвоить, не зная этих правил.

1. Дизъюнкция двух высказываний - результат операции «или». Может быть или ложной, или истинной. Используется символ «v».

2. Конъюнкция. Результатом подобного действия, совершаемого с двумя высказываниями, станет новое лишь в случае, когда оба исходных высказывания истинны. Используется операция «и», символ «^».

3. Импликация. Операция «если А, то В». Результатом является высказывание, ложное лишь в случае истинности А и ложности В. Применяется символ «->».

4. Эквиваленция. Операция «A тогда и только тогда В, когда». Данное высказывание истинно в случаях, когда обе переменные имеют одинаковые оценки. Используется символ «<->».

Существует также ряд операций, близких к импликации, но в данной статье они рассмотрены не будут.

Теперь подробным образом рассмотрим основные законы алгебры логики:

1. Коммутативный или переместительный гласит, что перемена мест логических слагаемых в операциях конъюнкции или дизъюнкции на результате не сказывается.

2. Сочетательный или ассоциативный. Согласно этому закону, переменные в операциях конъюнкции или дизъюнкции можно объединять в группы.

3. Распределительный или дистрибутивный. Суть закона в том, что одинаковые переменные в уравнениях можно вынести за скобки, не изменив логики.

4. Закон де Моргана (инверсии или отрицания). Отрицание операции конъюнкции равносильно дизъюнкции отрицания исходных переменных. Отрицание от дизъюнкции, в свою очередь, равно конъюнкции отрицания тех же переменных.

5. Двойное отрицание. Отрицание некоего высказывания дважды дает в результате исходное высказывание, трижды - его отрицание.

6. Закон идемпотентности выглядит следующим образом для логического сложения: x v x v x v x = x; для умножения: x^x^x^=x.

7. Закон непротиворечия гласит: два высказывания, если они противоречивы, одновременно быть истинными не могут.

8. Закон исключения третьего. Среди двух противоречивых высказываний одно - всегда истинное, другое - ложное, третьего не дано.

9. Закон поглощения можно записать таким образом для логического сложения: x v (x^y)=x, для умножения: x^ (x v y)=x.

10. Закон склеивания. Две соседние конъюнкции способны склеиться, образовав конъюнкцию меньшего ранга. При этом та переменная, по которой исходные конъюнкции склеивались, исчезает. Пример для логического сложения:

(x^y) v (-x^y)=y.

Мы рассмотрели лишь наиболее используемые законы алгебры логики, которых по факту может быть многим больше, поскольку нередко логические уравнения приобретают длинный и витиеватый вид, сократить который можно, применив ряд схожих законов.

Как правило, для удобства подсчета и выявления результатов используются специальные таблицы. Все существующие законы алгебры логики, таблица для которых имеет общую структуру сеточного прямоугольника, расписывают, распределяя каждую переменную в отдельную клеточку. Чем больше уравнение, тем проще с ним справиться, используя таблицы.

Логика - наука, изучающая законы и формы мышления; учение о способах рассуждений и доказательств.

Законы мира, сущность предметов, общее в них мы познаем посредством абстрактного мышления. Основными формами абстрактного мышления являются понятия, суждения и умозаключения.

Понятие - форма мышления, в которой отражаются существенные признаки отдельного предмета или класса однородных предметов. Понятия в языке выражаются словами.

Объем понятия - множество предметов, каждому из которых принадлежат признаки, составляющие содержание понятия. Выделяют понятия общие и единичные.

Выделяют следующие отношения понятий по объему:

• тождество или совпадение объемов, означающее, что объем одного понятия равен объему другого понятия;
• подчинение или включение объемов: объем одного из понятий полностью включен в объем другого;
• исключение объемов - случай, в котором нет ни одного признака, который бы находился в двух объемах;
• пересечение или частичное совпадение объемов;
• соподчинение объемов - случай, когда объемы двух понятий, исключающие друг друга, входят в объем третьего.

Суждение - это форма мышления, в которой что-либо утверждается или отрицается о предметах, признаках или их отношениях.

Умозаключение - форма мышления, посредством которой из одного или нескольких суждений, называемых посылками, мы по определенным правилам вывода получаем суждение-заключение.

Алгебра в широком смысле этого слова наука об общих операциях, аналогичных сложению и умножению, которые могут выполняться не только над числами, но и над другими математическими объектами.

Примеры алгебр: алгебра натуральных чисел, алгебра рациональных чисел, алгебра многочленов, алгебра векторов, алгебра матриц, алгебра множеств и т.д. Объектами алгебры логики или булевой алгебры являются высказывания.

Высказывание - это любое предложение какого-либо языка (утверждение), содержание которого можно определить как истинное или ложное.

Всякое высказывание или истинно, или ложно; быть одновременно и тем и другим оно не может.

В естественном языке высказывания выражаются повествовательными предложениями. Восклицательные и вопросительные предложения высказываниями не являются.

Высказывания могут выражаться с помощью математических, физических, химических и прочих знаков. Из двух числовых выражений можно составить высказывания, соединив их знаками равенства или неравенства.

Высказывание называется простым (элементарным), если никакая его часть сама не является высказыванием.

Высказывание, состоящее из простых высказываний, называются составным (сложным).

Простые высказывания в алгебре логики обозначаются заглавными латинскими буквами:
А = {Аристотель - основоположник логики},
В = {На яблонях растут бананы}.

Обоснование истинности или ложности простых высказываний решается вне алгебры логики. Например, истинность или ложность высказывания: "Сумма углов треугольника равна 180 градусов" устанавливается геометрией, причем - в геометрии Евклида это высказывание является истинным, а в геометрии Лобачевского - ложным.

Истинному высказыванию ставится в соответствие 1, ложному - 0. Таким образом, А = 1, В = 0.

Алгебра логики отвлекается от смысловой содержательности высказываний. Ее интересует только один факт - истинно или ложно данное высказывание, что дает возможность определять истинность или ложность составных высказываний алгебраическими методами.

Основные операции алгебры высказываний.

Логическая операция КОНЪЮНКЦИЯ (лат. conjunctio - связываю):

• в естественном языке соответствует союзу и ;
• обозначение: & ;
• в языках программирования обозначение: and ;
• иное название: логическое умножение .

Конъюнкция - это логическая операция, ставящая в соответствие каждым двум простым высказываниям составное высказывание, являющееся истинным тогда и только тогда, когда оба исходных высказывания истинны.

Таблица истинности конъюнкции:

А	В	А &В
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Логическая операция ДИЗЪЮНКЦИЯ (лат. disjunctio - различаю):

Дизъюнкция - это логическая операция, которая каждым двум простым высказываниям ставит в соответствие составное высказывание, являющееся ложным тогда и только тогда, когда оба исходных высказывания ложны и истинным, когда хотя бы одно из двух образующих его высказываний истинно.

Таблица истинности дизъюнкции:

А	В	А В
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Логическая операция ИНВЕРСИЯ (лат. inversio - переворачиваю):

Отрицание - это логическая операция, которая каждому простому высказыванию ставит в соответствие составное высказывание, заключающееся в том, что исходное высказывание отрицается.

Таблица истинности отрицания:

А	не А
0	1
1	0

Функция логического сложения ИЛИ (ЛогЗнач1;ЛогЗнач2;…) дает значение TRUE (Истина), только тогда, когда хотя бы один логический аргумент имеют значение TRUE (1).

Функция логического отрицания НЕ(ЛогЗнач) дает значение TRUE (Истина), когда логический аргумент имеют значение FALSE (0) и, наоборот, значение FALSE (Ложь), когда логический аргумент имеют значение TRUE (1).

Логическая операция ИМПЛИКАЦИЯ (лат. implicatio - тесно связываю):

Импликация - это логическая операция, ставящая в соответствие каждым двум простым высказываниям составное высказывание, являющееся ложным тогда и только тогда, когда условие (первое высказывание) истинно, а следствие (второе высказывание) ложно.

Таблица истинности импликации:

А	В	А В
0	0	1
0	1	1
1	0	0
1	1	1

Логическая операция ЭКВИВАЛЕНЦИЯ (лат. аequivalens - равноценное):

• в естественном языке соответствует оборотам речи тогда и только тогда и в том и только в том случае ;
• обозначение: ~ ;
• иное название: равнозначность .

Эквиваленция - это логическая операция, ставящая в соответствие каждым двум простым высказываниям составное высказывание, являющееся истинным тогда и только тогда, когда оба исходных высказывания одновременно истинны или одновременно ложны.

Таблица истинности эквиваленции:

А	В	А ~В
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Логические операции имеют следующий приоритет: действия в скобках, инверсия, &, , ~.

Таблицу, показывающую, какие значения принимает составное высказывание при всех сочетаниях (наборах) значений входящих в него простых высказываний, называют таблицей истинности составного высказывания.

Составные высказывания в алгебре логики записываются с помощью логических выражений. Для любого логического выражения достаточно просто построить таблицу истинности.

Алгоритм построения таблицы истинности:

1. подсчитать количество переменных n в логическом выражении;
2. определить число строк в таблице m = 2 n ;
3. подсчитать количество логических операций в формуле;
4. установить последовательность выполнения логических операций с учетом скобок и приоритетов;
5. определить количество столбцов в таблице: число переменных плюс число операций;
6. выписать наборы входных переменных с учетом того, что они представляют собой натуральный ряд n-разрядных двоичных чисел от 0 до 2 n -1;
7. провести заполнение таблицы истинности по столбикам, выполняя логические операции в соответствии с установленной в п.4 последовательностью.

Наборы входных переменных, во избежание ошибок, рекомендуют перечислять следующим образом:
а) определить количество наборов входных переменных;
б) разделить колонку значений первой переменной пополам и заполнить верхнюю часть колонки 0, а нижнюю -1;
в) разделить колонку значений второй переменной на четыре части и заполнить каждую четверть чередующимися группами 0 или 1, начиная с группы 0;
г) продолжать деление колонок значений последующих переменных на 8, 16 и т.д. частей и заполнение их группами 0 или 1 до тех пор, пока группы 0 и 1 не будут состоять из одного символа.

Пример. Для формулы A&(B C) построить таблицу истинности алгебраически и с использованием электронных таблиц.

Количество логических переменных 3, следовательно, количество строк в таблице истинности должно быть 2 3 = 8.

Количество логических операций в формуле 5, следовательно, количество столбцов в таблице истинности должно быть 3 + 5 = 8.

А	В	C	В C	А & (В C )
0	0	0	1	0
0	0	1	0	0
0	1	0	1	0
0	1	1	1	0
1	0	0	1	1
1	0	1	0	0
1	1	0	1	1
1	1	1	1	1

Логической (булевой) функцией называют функцию F(Х 1 , Х 2 , ..., Х n) , аргументы которой Х 1 , Х 2 , ..., Х n (независимые переменные) и сама функция (зависимая переменная) принимают значения 0 или 1.

Таблицу, показывающую, какие значения принимает логическая функция при всех сочетаниях значений ее аргументов, называют таблицей истинности логической функции. Таблица истинности логической функции n аргументов содержит 2 n строк, n столбцов значений аргументов и 1 столбец значений функции.

Логические функции могут быть заданы табличным способом или аналитически - в виде соответствующих формул.

Если логическая функция представлена с помощью дизъюнкций, конъюнкций и инверсий, то такая форма представления называется нормальной .

Существует 16 различных логических функций от двух переменных.

Логические выражения называются равносильными , если их истинностные значения совпадают при любых значениях, входящих в них логических переменных.

В алгебре логики имеется ряд законов, позволяющих производить равносильные преобразования логических выражений. Приведем соотношения, отражающие эти законы.

1. Закон двойного отрицания:
   не (не А) = A.
   Двойное отрицание исключает отрицание.
2. Переместительный (коммутативный) закон:
   - для логического сложения:
   А B = B A;

   
   A & B = B & A.

   Результат операции над высказываниями не зависит от того, в каком порядке берутся эти высказывания.

3. Сочетательный (ассоциативный) закон:
   - для логического сложения:
   (A B) C = A (B C);

   Для логического умножения:
   (A & B) & C = A & (B & C).

   При одинаковых знаках скобки можно ставить произвольно или вообще опускать.

4. Распределительный (дистрибутивный) закон:
   - для логического сложения:
   (A B) & C = (A & C) (B & C);

   Для логического умножения:
   (A & B) C = (A C) & (B C).

   Определяет правило выноса общего высказывания за скобку.

5. Закон общей инверсии (законы де Моргана):
   - для логического сложения:
   ;

   Для логического умножения:
   .

6. Закон идемпотентности (от латинских слов idem - тот же самый и potens -сильный; дословно - равносильный):
   - для логического сложения:
   A A = A;

   Для логического умножения:
   A & A = A.

   Закон означает отсутствие показателей степени.

7. Законы исключения констант:
   - для логического сложения:
   A 1 = 1, A 0 = A;

   Для логического умножения:
   A & 1 = A, A & 0 = 0.

8. Закон противоречия:
   A & (не A)= 0.

   Невозможно, чтобы противоречащие высказывания были одновременно истинными.

9. Закон исключения третьего:
   A (не A) = 1.

   Из двух противоречащих высказываний об одном и том же предмете одно всегда истинно, а второе - ложно, третьего не дано.

10. Закон поглощения:
    - для логического сложения:
    A (A & B) = A;

    Для логического умножения:
    A & (A B) = A.

11. Закон исключения (склеивания):
    - для логического сложения:
    (A & B) (& B) = B;

    Для логического умножения:
    (A B) & ( B) = B.

12. Закон контрапозиции (правило перевертывания):
    (AB) = (BA).

    Справедливость приведенных законов можно доказать табличным способом: выписать все наборы значений А и В, вычислить на них значения левой и правой частей доказываемого выражения и убедиться, что результирующие столбцы совпадут.

Пример. Упростить логическое выражение:

1. Ефимова О., Морозов В., Угринович Н. Курс компьютерной технологии с основами информатики. Учебное пособие для старших классов. - М.: ООО "Издательство АСТ"; АВF, 2000 г.
2. Задачник-практикум по информатике. В 2-х томах/Под ред. И.Семакина, Е.Хеннера. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 г.
3. Угринович Н. Информатика и информационные технологии. 10-11 класс- М.: Лаборатория Базовых Знаний, АО "Московские учебники", 2001 г.

Задачи и тесты по теме "Основы формальной логики"

• Логика СУБД Access - Логико-математические модели 10 класс

  Уроков: 5 Заданий: 9 Тестов: 1

• Решение логических задач средствами математической логики

  Уроков: 4 Заданий: 6 Тестов: 1

Уважаемый ученик!

В Работе 1 представлены три темы, лежащие в основе курса "Информационные технологии". Надеемся, что Вы уже имеете минимальный опыт работы с компьютером и познакомились с его устройством еще в средних классах школы.

Тема "Компьютерные коммуникации. Интернет" вызывает большой интерес в последнее время, многие молодые люди проводят в глобальной сети почти все свое свободное время. Хочется напомнить, что виртуозное владение Интернет подразумевает не просто умение "бродить" в сети и посещать время от времени интересные "чат"ы", но и разбираться в принципах организации информации в глобальной сети, разбираться в ее структуре, протоколах, уметь настраивать браузер и почтовые программы, знать и соблюдать этику работы в Интернет. Ну и конечно использовать сеть по самому важному из ее назначений - для расширения своего кругозора.

Мы не рассматривали в этом курсе технологию создания Web-сайтов, полагая, что минимальные знания для создания домашней веб-страницы можно почерпнуть из дополнительной литературы. Создание же сайтов на профессиональном уровне требует определенной подготовки, в основе которой лежат навыки работы с текстом и графикой, а также умение программировать.

Тема "Логика" обычно вызывает некоторое недоумение учащихся, не все понимают важность изучения данной темы. Хочется отметить, что знание логики важно не только как основа для дальнейшего изучения языков программирования и принципов работы с базами данных, но и как "тренажер" для развития особого типа мышления. Человек, преуспевший в изучении логики, имеет огромные преимущества в общении. Очень лестно услышать в свой адрес: "Логично", "в Ваших рассуждениях присутствует логика".

Законы алгебры высказываний

Алгебра высказываний (алгебра логики) - раздел математической логики, изучающий логические операции над высказываниями и правила преобразования сложных высказываний.

При решении многих логических задач часто приходится упрощать формулы, полученные при формализации их условий. Упрощение формул в алгебре высказываний производится на основе эквивалентных преобразований, опирающихся на основные логические законы.

Законы алгебры высказываний (алгебры логики) - это тавтологии.

Иногда эти законы называются теоремами.

В алгебре высказываний логические законы выражаются в виде равенства эквивалентных формул. Среди законов особо выделяются такие, которые содержат одну переменную.

Первые четыре из приведенных ниже законов являются основными законами алгебры высказываний.

Закон тождества:

А=А

Всякое понятие и суждение тождественно самому себе.

Закон тождества означает, что в процессе рассуждения нельзя подменять одну мысль другой, одно понятие другим. При нарушении этого закона возможны логические ошибки.

Например, рассуждение Правильно говорят, что язык до Киева доведет, а я купил вчера копченый язык, значит, теперь смело могу идти в Киев неверно, так как первое и второе слова «язык» обозначают разные понятия.

В рассуждении: Движение вечно. Хождение в школу - движение. Следовательно, хождение в школу вечно слово «движение» используется в двух разных смыслах (первое - в философском смысле - как атрибут материи, второе - в обыденном смысле - как действие по перемещению в пространстве), что приводит к ложному выводу.

Закон непротиворечия :

В один и тот же момент времени высказывание может быть либо истинным, либо ложным, третьего не дано. Истинно либо А, либо не А. Примеры выполнения закона исключенного третьего:

1. Число 12345 либо четное, либо нечетное, третьего не дано.

2. Предприятие работает убыточно или безубыточно.

3. Эта жидкость является или не является кислотой.

Закон исключенного третьего не является законом, признаваемым всеми логиками в качестве универсального закона логики. Этот закон применяется там, где познание имеет дело с жесткой ситуацией: «либо - либо », «истина-ложь ». Там же, где встречается неопределенность (например, в рассуждениях о будущем), закон исключенного третьего часто не может быть применен.

Рассмотрим следующее высказывание: Это предложение ложно. Оно не может быть истинным, потому что в нем утверждается, что оно ложно. Но оно не может быть и ложным, потому что тогда оно было бы истинным. Это высказывание не истинно и не ложно, а потому нарушается закон исключенного третьего.

Парадокс (греч. paradoxos - неожиданный, странный) в этом примере возникает из-за того, что предложение ссылается само на себя. Другим известным парадоксом является задача о парикмахере: В одном городе парикмахер стрижет волосы всем жителям, кроме тех, кто стрижет себя сам. Кто стрижет волосы парикмахеру? В логике из-за ее формальности нет возможности получить форму такого ссылающегося самого на себя высказывания. Это еще раз подтверждает мысль о том, что с помощью алгебры логики нельзя выразить все возможные мысли и доводы. Покажем, как на основании определения эквивалентности высказываний могут быть получены остальные законы алгебры высказываний.

Например, определим, чему эквивалентно (равносильно) А (двойное отрицание А , т. е. отрицание отрицания А ).Для этого построим таблицу истинности:

По определению равносильности мы должны найти тот столбец, значения которого совпадают со значениями столбца А. Таким будет столбец А.

Таким образом, мы можем сформулировать закон двойного отрицания:

Если отрицать дважды некоторое высказывание, то в результате получается исходное высказывание. Например, высказывание А = Матроскин - кот эквивалентно высказыванию А = Неверно, что Матроскин не кот .

Аналогичным образом можно вывести и проверить следующие законы:

Свойства констант:

Законы идемпотентности:

Сколько бы раз мы ни повторяли: телевизор включен или телевизор включен или телевизор включен... значение высказывания не изменится. Аналогично от повторения на улице тепло, на улице тепло,... ни на один градус теплее не станет.

Законы коммутативности:

A v B = B v A

А & В = В & А

Операнды А и В в операциях дизъюнкции и конъюнкции можно менять местами.

Законы ассоциативности:

A v(B v C) = (A v B) v C;

А & (В & C) = (A & В) & С.

Если в выражении используется только операция дизъюнкции или только операция конъюнкции, то можно пренебрегать скобками или произвольно их расставлять.

Законы дистрибутивности:

A v (B & C) = (A v B) &(A v C)

(дистрибутивность дизъюнкции
относительно конъюнкции)

А & (B v C) = (A & B) v (А & C)

(дистрибутивность конъюнкции
относительно дизъюнкции)

Закон дистрибутивности конъюнкции относительно дизъюнкции ана­логичен дистрибутивному закону в алгебре, а закон дистрибутивности дизъюнкции относительно конъюнкции аналога не имеет, он справедлив только в логике. Поэтому необходимо его доказать. Доказательство удобнее всего провести с помощью таблицы истинности:

Законы поглощения:

A v (A & B) = A

A & (A v B) = A

Проведите доказательство законов поглощения самостоятельно.

Законы де Моргана:

Словесные формулировки законов де Моргана:

Мнемоническое правило: в левой части тождества операция отрицания стоит над всем высказыванием. В правой части она как бы разрывается и отрицание стоит над каждым из простых высказываний, но одновременно меняется операция: дизъюнкция на конъюнкцию и наоборот.

Примеры выполнения закона де Моргана:

1) Высказывание Неверно, что я знаю арабский или китайский язык тождественно высказыванию Я не знаю арабского языка и не знаю китайского языка.

2) Высказывание Неверно, что я выучил урок и получил по нему двойку тождественно высказыванию Или я не выучил урок, или я не получил по нему двойку.

Замена операций импликации и эквивалентности

Операций импликации и эквивалентности иногда нет среди логических операций конкретного компьютера или транслятора с языка программирования. Однако для решения многих задач эти операции необходимы. Существуют правила замены данных операций на последовательности операций отрицания, дизъюнкции и конъюнкции.

Так, заменить операцию импликации можно в соответствии со следующим правилом:

Для замены операции эквивалентности существует два правила:

В справедливости данных формул легко убедиться, построив таблицы истинности для правой и левой частей обоих тождеств.

Знание правил замены операций импликации и эквивалентности помогает, например, правильно построить отрицание импликации.

Рассмотрим следующий пример.

Пусть дано высказывание:

Е = Неверно, что если я выиграю конкурс, то получу приз .

Пусть А = Я выиграю конкурс ,

В = Я получу приз .

Тогда

Отсюда, Е = Я выиграю конкурс, но приз не получу .

Основные законы алгебры логики и правила преобразования логических выражений

В алгебре логики имеются законы, которые записываются в виде соотношений. Логические законы позволяют производить равносильные (эквивалентные) преобразования логических выражений. Преобразования называются равносильными, если истинные значения исходной и полученной после преобразования логической функции совпадают при любых значениях входящих в них логических переменных.

Для простоты записи приведем основные законы алгебры логики для двух логических переменных А и В. Эти законы распространяются и на другие логические переменные.

1. Закон противоречия:

2. Закон исключенного третьего:

3. Закон двойного отрицания:

4. Законы де Моргана:

5. Законы повторения: A & A = A; A v A = A; В & В = В; В v В = В.

6. Законы поглощения: A ? (A & B) = A; A & (A ? B) = A.

7. Законы исключения констант: A ? 1 = 1; A ? 0 = A; A & 1 = A; A & 0 = 0; B ? 1 = 1; B ? 0 = B; B & 1 = B; B & 0 = 0.

8. Законы склеивания:

9. Закон контрапозиции: (A ? B) = (B ? A).

Для логических переменных справедливы и общематематические законы. Для простоты записи приведем общематематические законы для трех логических переменных A, В и С:

1. Коммутативный закон: A & B = B & A; A ? B = B ? A.

2. Ассоциативный закон: A & (B & C) = (A & B) & C; A ? (B ? C) = (A ? B) ? C.

3. Дистрибутивный закон: A & (B ? C) = (A & B) ? (A & C).

Как уже отмечалось, с помощью законов алгебры логики можно производить равносильные преобразования логических выражений с целью их упрощения. В алгебре логики на основе принятого соглашения установлены следующие правила (приоритеты) для выполнения логических операций: первыми выполняются операции в скобках, затем в следующем порядке: инверсия (отрицание), конъюнкция (&), дизъюнкция (v), импликация (?), эквиваленция (?)

Выполним преобразование, например, логической функции

применив соответствующие законы алгебры логики.

Урок Законы алгебры логики

• научиться применять законы алгебры логики для упрощения выражений;
• развивать логическое мышлении;
• прививать внимательность

Опрос законов алгебры логики (на доске).

Перечислим наиболее важные из них:

• X X Закон тождества.
• Закон противоречия
• Закон исключенного третьего
• Закон двойного отрицания
• Законы идемпотентности: X X X, X X C
• Законы коммутативности (переместительности): X Y Y X, X Y Y X
• Законы ассоциативности (сочетательности): (X Y) Z X (Y Z), (X Y) Z X (Y Z)
• Законы дистрибутивности (распределительности): X (Y Z) (X Y) (X Z), X (Y Z) (X Y) (X Z)
• Законы де Моргана ,
• X 1 X, X 0 X
• X 0 0, X 1 1

1-й закон сформулирован древнегреческим философом Аристотелем. Закон тождества утверждает, что мысль, заключенная в некотором высказывании, остается неизменной на протяжении всего рассуждения, в котором это высказывание фигурирует.

Закон противоречия говорит о том, что никакое предложение не может быть истинно одновременно со своим отрицанием. “Это яблоко спелое” и “Это яблоко не спелое”.

Закон исключенного третьего говорит о том, что для каждого высказывания имеются лишь две возможности: это высказывание либо истинно либо ложно. Третьего не дано. “Сегодня я получу 5 либо не получу”. Истинно либо суждение, либо его отрицание.

Закон двойного отрицания. Отрицать отрицание какого-нибудь высказывания — то же, что утверждать это высказывание.

“ Неверно, что 2*24”

Законы идемпотентности. В алгебре логики нет показателей степеней и коэффициентов. Конъюнкция одинаковых “сомножителей” равносильна одному из них.

Законы коммутативности и ассоциативности. Конъюнкция и дизъюнкция аналогичны одноименным знакам умножения и сложения чисел.

В отличие от сложения и умножения чисел логическое сложение и умножение равноправны по отношению к дистрибутивности: не только конъюнкция дистрибутивна относительно дизъюнкции, но и дизъюнкция дистрибутивна относительно конъюнкции.

Смысл законов де Моргана (Август де Морган (1806-1871) — шотландский математик и логик) можно выразить в кратких словесных формулировках:

— отрицание логического произведения эквивалентно логической сумме отрицаний множителей.

— отрицание логической суммы эквивалентно логическому произведению отрицаний слагаемых.

1. Установить эквивалентны ли высказывания.

3. С помощью таблиц истинности доказать законы поглощения и склеивания.

I. Подача нового материала.

1. Законы поглощения: X (X Y) X, X (X Y) X
2. Законы склеивания: (X Y) (Y) Y, (X Y) (Y) Y

Доказать законы логики можно:

1. с помощью таблиц истинности;
2. с помощью равносильностей.

Докажем законы склеивания и поглощения с помощью равносильностей:

3. (X Y) (Y) (X+Y) *(+Y) X* + Y* + Y*Y+ X*Y Y* + Y + X*Y Y* + Y(1+X) Y* +Y Y(+1) Y склеивания
4. X (X Y) X*X+X*Y X+X*Y X(1+Y) X поглощения

П. Практическая часть

1. Упрощение формул.

Пример 1. Упростить формулу (А+В)·* (А+С)

5. Раскроем скобки (A + B) * (A + C) A * A + A * C + B * A + B * C
6. По закону идемпотентности A*A A , следовательно, A*A + A*C + B*A + B*C A + A*C + B*A + B*C
7. В высказываниях А и А*C вынесем за скобки А и используя свойство А+1 1, получим А+А*С+ B*A + B*C A*(1 + С) + B*A + B*СA + B*A + B*С
8. Аналогично пункту 3. вынесем за скобки высказывание А.
   A + B*A + B*С A (1 + B) + B С A + B*С
   

2. Преобразования “поглощение” и “склеивание”

Пример 2. Упростить выражение А+ A*B

Решение. A+A*B A (1 + B) A — поглощение

Пример 3. Упростить выражение A*B+A*

Решение . A*B + A* A (B + ) A — склеивание

3. Всякую формулу можно преобразовать так, что в ней не будет отрицаний сложных высказываний — все отрицания будут применяться только к простым высказываниям.

Пример 4. Преобразовать формулу так, чтобы не было отрицаний сложных высказываний.

9. Воспользуемся формулой де Моргана, получим:
10. Для выражения применим еще раз формулу де Моргана, получим:
    

4. Любую формулу можно тождественно преобразовать так, что в ней не будут использованы:

11. знаки логического сложения;
12. знаки логического умножения,
13. будут использованы:
14. знаки отрицания и логического умножения
15. знаки отрицания и логического сложения.

Пример 5. Преобразовать формулу так, чтобы в ней не использовались знаки логического сложения.

Решение. Воспользуемся законом двойного отрицания, а затем формулой де Моргана.

Вывод: В алгебре логики всякую логическую функцию можно выразить через другие логические функции, но их должно быть по меньшей мере 2 операции, при этом одной из них обязательно должно быть отрицание.

Все операции можно выразить через конъюнкцию и отрицание, дизъюнкцию и отрицание, импликацию и отрицание. Через эквиваленцию и отрицание остальные операции выразить нельзя.

Задание 1. Установить истинность высказывания .
Задание 2 Установить является ли высказывание тавтологией?
Задание 3. Установить эквивалентны ли высказывания.

1. Формулы данных высказываний преобразовать в эквивалентные, исключив логическое сложение:

2. Формулы данных высказываний преобразовать в эквивалентные, исключить логическое умножение.

lunina.21205s09.edusite.ru

МИР ЛОГИКИ

Законы алгебры логики и правила преобразования логических выражений

Равносильные преобразования логических формул имеют то же назначение, что и преобразования формул в обычной алгебре. Они служат для упрощения формул или приведения их к определённому виду путем использования основных законов алгебры логики.

Под упрощением формулы, не содержащей операций импликации и эквиваленции, понимают равносильное преобразование, приводящее к формуле, которая либо содержит по сравнению с исходной меньшее число операций конъюнкции и дизъюнкции и не содержит отрицаний неэлементарных формул, либо содержит меньшее число вхождений переменных.

Некоторые преобразования логических формул похожи на преобразования формул в обычной алгебре (вынесение общего множителя за скобки, использование переместительного и сочетательного законов и т.п.), тогда как другие преобразования основаны на свойствах, которыми не обладают операции обычной алгебры (использование распределительного закона для конъюнкции, законов поглощения, склеивания, де Моргана и др.).

Закон

Формулировка

1. Закон тождества

Всякое высказывание тождественно самому себе.

2. Закон исключенного третьего

Высказывание может быть либо истинным, либо ложным, третьего не дано. Следовательно, результат логического сложения высказывания и его отрицания всегда принимает значение «истина».

3. Закон непротиворечия

Высказывание не может быть одновременно истинным и ложным. Если высказывание Х истинно, то его отрицание НЕ Х должно быть ложным. Следовательно, логическое произведение высказывания и его отрицания должно быть ложно.

4. Закон двойного отрицания

Если дважды отрицать некоторое высказывание, то в результате получим исходное высказывание.

5. Переместительный (коммутативный) закон

6. Сочетательный (ассоциативный) закон

При одинаковых знаках скобки можно ставить произвольно или вообще опускать.

5. Распределительный (дистрибутивный) закон

(X /\ Y) \/ Z= (X /\ Z) \/ (Y /\ Z)

(X /\ Y) \/ Z = (X \/ Z) /\ (Y \/ Z)

Определяет правило выноса общего высказывания за скобку.

7. Закон общей инверсии Закон де Моргана

Закон общей инверсии.

8. Закон равносильности (идемпотентности)

от латинских слов idem - тот же самый и potens -сильный

Законы поглощения алгебра логики

Тема 3. Основы математической логики 1. Логические выражения и логические операции.
2. Построение таблиц истинности и логических функций.
3. Законы логики и преобразование логических выражений.
Лабораторная работа № 3. Основы математической логики.

3. Законы логики и правила преобразования логических выражений

Закон двойного отрицания (двойное отрицание исключает отрицание):

А = = Ú

Закон идемпотентности (от латинских слов idem - тот же самый и potens - сильный; дословно - равносильный):

для логического сложения: А Ú A = A ;

для логического умножения:A & A = A .

Закон означает отсутствие показателей степени.

для логического умножения:A & 1 = A, A & 0 = 0 .

A & = 0 .

Невозможно, чтобы противоречащие высказывания были одновременно истинными.

A Ú = 1 .

Из двух противоречащих высказываний об одном и том же предмете одно всегда истинно, а второе - ложно, третьего не дано.

для логического умножения:A & (A Ú B) = A .

Знание законов логики позволяет проверять правильность рассуждений и доказательств. Основываясь на законах, можно выполнять упрощение сложных логических выражений. Такой процесс замены сложной логической функции более простой, но равносильной ей, называется минимизацией функции.

Некоторые преобразования логических формул похожи на преобразования формул в обычной алгебре (вынесение общего множителя за скобки, использование переместительного и сочетательного законов и т.п.), другие — основаны на свойствах, которыми не обладают операции обычной алгебры (использование распределительного закона для конъюнкции, законов поглощения, склеивания, де Моргана и др.).

Нарушения законов логики приводят к логическим ошибкам и вытекающим из них противоречиям.

Пример 1. Упростить формулу (А Ú В) & (А Ú С) .

Аналогично предыдущему пункту вынесем за скобки высказывание А .
A Ú B & A Ú B & C = A & (1 Ú B) Ú B & C = A Ú B & C .

Таким образом, мы доказали закон дистрибутивности.

Всякую формулу можно преобразовать так, что в ней не будет отрицаний сложных высказываний — все отрицания будут применяться только к простым высказываниям.

Пример 2. Упростить выражения так, чтобы в полученных формулах не содержалось отрицания сложных высказываний.

Решение:

Всего имеется пять законов алгебры логики:

1. Закон одинарных элементов

1 * X = X
0 * X = 0
1 + X = 1
0 + X = X

Этот закон алгебры логики непосредственно следует из приведённых выше выражений аксиом алгебры логики.

Верхние два выражения могут быть полезны при построении коммутаторов, ведь подавая на один из входов элемента “2И” логический ноль или единицу можно либо пропускать сигнал на выход, либо формировать на выходе нулевой потенциал.

Второй вариант использования этих выражений заключается в возможности избирательного обнуления определённых разрядов многоразрядного числа. При поразрядном применении операции "И" можно либо оставлять прежнее значение разряда, либо обнулять его, подавая на соответствующие разряды единичный или нулевой потенциал. Например, требуется обнулить 6, 3 и 1 разряды. Тогда:

В приведённом примере использования законов алгебры логики отчётливо видно, что для обнуления необходимых разрядов в маске (нижнее число) на месте соответствующих разрядов записаны нули, в остальных разрядах записаны единицы. В исходном числе (верхнее число) на месте 6 и 1 разрядов находятся единицы. После выполнения операции "И" на этих местах появляются нули. На месте третьего разряда в исходном числе находится ноль. В результирующем числе на этом месте тоже присутствует ноль. Остальные разряды, как и требовалось по условию задачи, не изменены.

Точно так же при помощи закона одинарных элементов, одного из основных законов алгебры логики, можно записывать единицы в нужные нам разряды. В этом случае необходимо воспользоваться нижними двумя выражениями закона одинарных элементов. При поразрядном применении операции "ИЛИ" можно либо оставлять прежнее значение разряда, либо обнулять его, подавая на соответствующие разряды нулевой или единичный потенциал. Пусть требуется записать единицы в 7 и 6 биты числа. Тогда:

Здесь в маску (нижнее число) мы записали единицы в седьмой и шестой биты. Остальные биты содержат нули, и, следовательно, не могут изменить первоначальное состояние исходного числа, что мы и видим в результирующем числе под чертой.

Первое и последнее выражения закона одинарных элементов позволяют использовать с большим количеством входов в качестве логических элементов с меньшим количеством входов. Для этого неиспользуемые входы в схеме "И" должны быть подключены к источнику питания, как это показано на рисунке 1:

Рисунок 1. Схема "2И-НЕ", реализованная на логическом элементе "3И-НЕ"

В то же самое время неиспользуемые входы в схеме "ИЛИ" в соответствии с законом одинарных элементов должны быть подключены к общему проводу схемы, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема "НЕ", реализованная на элементе "2И-НЕ"

Следующими законами алгебры логики, вытекающими из аксиом алгебры логики являются законы отрицания.

2. Законы отрицания

a. Закон дополнительных элементов

Выражения этого закона алгебры логики широко используется для минимизации логических схем. Если удаётся выделить из общего выражения логической функции такие подвыражения, то можно сократить необходимое количество входов элементов цифровой схемы, а иногда и вообще свести всё выражение к логической константе.

Еще одним широко используемым законом алгебры логики является закон двойного отрицания.

b. Двойное отрицание

Закон двойного отрицания используется как для упрощения логических выражений (и как следствие упрощения и удешевления цифровых комбинаторных схем), так и для устранения инверсии сигналов после таких логических элементов как "2И-НЕ" и "2ИЛИ-НЕ". В этом случае законы алгебры логики позволяют реализовывать заданные цифровые схемы при помощи ограниченного набора логических элементов.

c. Закон отрицательной логики

Закон отрицательной логики справедлив для любого числа переменных. Этот закон алгебры логики позволяет реализовывать при помощи логических элементов "ИЛИ" и наоборот: реализовывать логическую функцию "ИЛИ" при помощи логических элементов "И". Это особенно полезно в ТТЛ схемотехнике, так как там легко реализовать логические элементы "И", но при этом достаточно сложно логические элементы "ИЛИ". Благодаря закону отрицательной логики можно реализовывать элементы "ИЛИ" на логических элементах "И". На рисунке 3 показана реализация логического элемента "2ИЛИ" на элементе " " и двух инверторах.

Рисунок 3. Логический элемент "2ИЛИ", реализованный на элементе "2И-НЕ" и двух инверторах

То же самое можно сказать и о схеме монтажного "ИЛИ". В случае необходимости его можно превратить в монтажное "И", применив инверторы на входе и выходе этой схемы.

3. Комбинационные законы

Комбинационные законы алгебры логики во многом соответствуют комбинационным законам обычной алгебры, но есть и отличия.

a. закон тавтологии (многократное повторение)

X + X + X + X = X
X * X * X * X = X

Этот закон алгебры логики позволяет использовать логические элементы с большим количеством входов в качестве логических элементов с меньшим количеством входов. Например, можно реализовать двухвходовую схему "2И" на логическом элементе "3И", как это показано на рисунке 4:

Рисунок 4. Схема "2И-НЕ", реализованная на логическом элементе "3И-НЕ"

или использовать схему "2И-НЕ" в качестве обычного инвертора, как это показано на рисунке 5:

Рисунок 5. Схема "НЕ", реализованная на логическом элементе "2И-НЕ"

Однако следует предупредить, что объединение нескольких входов увеличивает входные токи логического элемента и его ёмкость, что увеличивает ток потребления предыдущих элементов и отрицательно сказывается на быстродействии цифровой схемы в целом.

Для уменьшения числа входов в логическом элементе лучше воспользоваться другим законом алгебры логики — законом одинарных элементов, как это было показано выше.

Продолжим рассмотрение законов алгебры логики:

b. закон переместительности

A + B + C + D = A + C + B + D

c. закон сочетательности

A + B + C + D = A + (B + C) + D = A + B + (C + D)

d. закон распределительности

X1(X2 + X3) = X1X2 + X1X3 X1 + X2X3 = (X1 + X2)(X1 + X3) = /докажем это путём раскрытия скобок/ =
= X1X1 + X1X3 + X1X2 + X2X3 = X1(1 + X3 + X2) + X2X3 = X1 + X2X3

4. Правило поглощения (одна переменная поглощает другие)

X1 + X1X2X3 =X1(1 + X2X3) = X1

5. Правило склеивания (выполняется только по одной переменной)

Также как в обычной математике в алгебре логики имеется старшинство операций. При этом первым выполняется:

1. Действие в скобках
2. Операция с одним операндом (одноместная операция) — "НЕ"
3. Конъюнкция — "И"
4. Дизъюнкция — "ИЛИ"
5. Сумма по модулю два.

Операции одного ранга выполняются слева направо в порядке написания логического выражения. Алгебра логики линейна и для неё справедлив принцип суперпозиции.

Литература:

Вместе со статьей "Законы алгебры логики" читают:

Любая логическая схема без памяти полностью описывается таблицей истинности... Для реализации таблицы истинности достаточно рассмотреть только те строки...
http://сайт/digital/SintSxem.php

Декодеры (дешифраторы) позволяют преобразовывать одни виды бинарных кодов в другие. Например...
http://сайт/digital/DC.php

Достаточно часто перед разработчиками цифровой аппаратуры встаёт обратная задача. Требуется преобразовать восьмиричный или десятичный линейный код в...
http://сайт/digital/Coder.php

Мультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать несколько входов к одному выходу...
http://сайт/digital/MS.php

Демультиплексорами называются устройства... Существенным отличием от мультиплексора является...
http://сайт/digital/DMS.php