Булевы функции

Содержание

1 Понятие булевой функции

В курсе математического анализа изучаются функции, определённые на числовой прямой или на отрезке числовой прямой или на (гипер-) плоскости и т.п. Так или иначе область определения – непрерывное множество. В курсе дискретной математики изучаться должны функции, область определения которых – дискретное множество * . Простейшим (но нетривиальным) таким множеством является множество, состоящее из двух элементов. * Так мы и приходим к понятию булевой функции.

Определение 1 (Булева функция). Булевой функцией от n аргументов называется функция f из n -ой степени множества < 0, 1 >в множество < 0, 1 >.

Иначе говоря, булева функция – это функция, и аргументы и значение которой принадлежит множеству < 0, 1 >. Множество < 0, 1 >мы будем в дальнейшем обозначать через B .

Булеву функцию от n аргументов можно рассматривать как n -местную алгебраическую операцию на множестве B . При этом алгебра W >, где W – множество всевозможных булевых функций, называется алгеброй логики .

Конечность области определения функции имеет важное преимущество – такие функции можно задавать перечислением значений при различных значениях аргументов. Для того, чтобы задать значение функции от n переменных, надо определить значения для каждого из 2 n наборов. Эти значения записывают в таблицу в порядке соответствующих двоичных чисел. В результате получается таблица следующего вида:

x 1	x 2	.	x n- 1	x n	f
0	0	.	0	0	f(0,0. 0,0)
0	0	.	0	1	f(0,0. 0,1)
0	0	.	1	0	f(0,0. 1,0)
0	0	.	1	1	f(0,0. 1,1)
.	.	.	.	.	.
1	1	.	0	0	f(1,1. 0,0)
1	1	.	0	1	f(1,1. 0,1)
1	1	.	1	0	f(1,1. 1,0)
1	1	.	1	1	f(1,1. 1,1)

Раз у нас есть стандартный порядок записывания наборов, то для того, чтобы задать функцию, нам достаточно выписать значения f (0,0. 0,0) , f (0,0. 0,1) , f (0,0. 1,0) , f (0,0. 1,1). f (1,1. 0,0) , f (1,1. 0,1) , f (1,1. 1,0) , f (1,1. 1,1). Этот набор называют вектором значений функции .

Таким образом, различных функций n переменных столько, сколько различных двоичных наборов длины 2 n * . А их 2 в степени 2 n .

Множество B содержит два элемента – их можно рассматривать как булевы функции от нуля (пустого множества) переменных – константу 0 и константу 1 .

Функций от одной переменной четыре: это константа 0, константа 1, тождественная функция , т.е. функция, значение которой совпадает с аргументом и так называемая функция « отрицание ». Отрицание будем обозначать символом ¬ как унарную операцию. Приведём таблицы этих четырёх функций:

x	0	x	¬ x	1
0	0	0	1	1
1	0	1	0	1

Как видим, функции от некоторого числа переменных можно рассматривать как функции от большего числа переменных. При этом значения функции не меняется при изменении этих «добавочных» переменных. Такие переменные называются фиктивными , в отличие от остальных – существенных .

Определение 2 (Фиктивные и существенные переменные). Переменная x i называется фиктивной (несущественной) переменной функции f ( x 1 ,···,x n ), если f ( x 1 ,···,x i- 1 ,0 ,x i+ 1 ,···,x n ) = f ( x 1 ,···,x i- 1 ,1 ,x i+ 1 ,···,x n ) для любых значений x 1 ,···,x i- 1 ,x i+ 1 ,···,x n . Иначе переменная x i называется существенной .

Функций от двух аргументов шестнадцать. Наиболее употребимые из этих функций (только те, которые существенно зависят от обеих переменных) мы приводим в следующей таблице:

x 1	x 2	x 1 & x 2	x 1 Ъ x 2	x 1 Й x 2	x 1 Е x 2	x 1 є x 2	x 1 | x 2
0	0	0	0	1	0	1	0
0	1	0	1	1	1	0	1
1	0	0	1	0	1	0	1
1	1	1	1	1	0	1	1

Эти функции записываются как бинарные операции в инфиксной нотации. x 1 & x 2 называется конъюнкцией , x 1 Ъ x 2 – дизъюнкцией , x 1 Й x 2 – импликацией , x 1 є x 2 – эквивалентностью , x 1 Е x 2 – суммой по модулю 2 , x 1 | x 2 – штрихом Шеффера .

Значения 0 и 1 часто интерпретируют как «ложь» и «истину». Тогда понятным становится название функции «отрицание» – она меняет «ложь» на «истину», а «истину» на «ложь». Отрицание читается как «не». Конъюнкция читается обычно как «и» – действительно, конъюнкция равна 1 тогда и только тогда, когда равны 1 и первая и вторая переменная. * Кроме x 1 & x 2 часто используют обозначение x 1 Щ x 2 или x 1 · x 2 или x 1 x 2 или min( x 1 ,x 2 ). Дизъюнкция читается «или» – дизъюнкция равна 1 тогда и только тогда, когда равны 1 первая или вторая переменная. * Импликация выражает факт, что из x 1 следует x 2 . * Импликацию часто также обозначают x 1 ® x 2 .

2 Суперпозиция функций

Определение 3 (Суперпозиция функций). Суперпозицией булевых функций f 0 и f 1 . f n называется функция f ( x 1 . x m ) = f 0 ( g 1 ( x 1 . x m ) . g k ( x 1 . x m )), где каждая из функций g i ( x 1 , . x m ) либо совпадает с одной из переменных (тождественная функция), либо – с одной из функций f 1 . f n .

Пример 1 (суперпозиция функций).

Функция f ( x,y ) = ¬ ( x & y ) является суперпозицией функций ¬ и &. Функция g ( x,y ) = x Е ( x Ъ y ) является суперпозицией функций Е и Ъ . Функция h ( x,y,z ) = ( x & y ) Е z является суперпозицией функций Е и &. Построим таблицы этих функций.

Суперпозицию ( x & y ) Е ( ¬x Ъ ¬y ) можно прочитать как « x и y плюс не x или не y ».

Следующие соотношения могут быть проверены прямым сравнением значений функций в левой и правой части соотношения на всевозможных наборах аргументов.

1. x & y = y & x
2. x Ъ y = y Ъ x
3. x Е y = y Е x
4. x & ( y & z ) = ( x & y ) & z
5. x Ъ ( y Ъ z ) = ( x Ъ y ) Ъ z
6. x Е ( y Е z ) = ( x Е y ) Е z
7. x Ъ ( y & z ) = ( x Ъ y ) & ( x Ъ z )
8. x & ( y Ъ z ) = ( x & y ) Ъ ( x & z )
9. ¬¬x = x
10. ¬ ( x & y ) = ¬x Ъ ¬y
11. ¬ ( x Ъ y ) = ¬x & ¬y
12. x & x = x
13. x & ¬x = 0
14. x & 0 = 0
15. x & 1 = x
16. x Ъ x = x
17. x Ъ ¬x = 1
18. x Ъ 0 = x
19. x Ъ 1 = 1
20. x Е y = ( x & ¬y ) Ъ ( ¬x & y )
21. x Й y = ¬x Ъ y
22. x є y = ( x & y ) Ъ ( ¬x & ¬y )

3 Двойственные функции

Определение 4 (Двойственная функция). Функция g ( x 1 . x n ) = ¬f ( ¬x 1 . ¬x n ) называется двойственной функцией к функции f и обозначается f * .

Пример 2 (двойственные функции).

( x & y ) * = ¬ ( ¬x & ¬y ) = x Ъ y .

Предложение 1 (Двойственная к двойственной функции). Функция, двойственная к двойственной функции f равна самой функции f.

Доказательство. f * ( x 1 . x n ) * = ( ¬f ( ¬x 1 . ¬x n )) * = *
= ¬¬f ( ¬¬x 1 . ¬¬x n ) = *
= f ( x 1 . x n ) *

Рассмотрим, что происходит с таблицей двойственной функции. Замена набора ( x 1 . x n ) на ( ¬x 1 . ¬x n ) соответствует «переворачиванию» таблицы. Действительно, наборы ( x 1 . x n ) и ( ¬x 1 . ¬x n ) расположены симметрично относительно середины таблицы. Теперь остаётся применить операцию ¬ к результату функции, т.е. поменять 0 на 1 и 1 на 0. Т.о. вектор значений функции, двойственной к исходной, получается из вектора исходной функции переворачиванием и заменой 0 на 1, а 1 на 0.

Пример 3 (вектор двойственной функции).

Функции x & y и x Ъ y , задаваемые векторами значений (0,0,0,1) и (0,1,1,1) двойственны друг к другу. Также двойственными являются x Е y и x є y , задаваемые векторами (0,1,1,0) и (1,0,0,1). Каждая из функций x и ¬x (векторы (0,1) и (1,0) соответственно) двойственна сама себе.

Теорема 1 (Принцип двойственности). Функция, двойственная к суперпозиции функций, равна суперпозиции двойственных функций. Точнее: f 0 ( f 1 . f m ) * = f 0 * ( f 1 * . f m * )

Доказательство. f 0 ( f 1 ( x 1 . x n ) . f m ( x 1 . x n )) * =

= ¬f 0 ( f 1 ( ¬x 1 . ¬x n ) . f m ( ¬x 1 . ¬x n )) =	*
= ¬f 0 ( ¬¬f 1 ( ¬x 1 . ¬x n ) . ¬¬f m ( ¬x 1 . ¬x n )) =	*
= ¬f 0 ( ¬f 1 * ( x 1 . x n ) . ¬f m * ( x 1 . x n )) =	*
= f 0 * ( f 1 * ( x 1 . x n ) . f m * ( x 1 . x n ))	*

4 Разложение функции по переменным

x s =

м ¬x, если s =0 н о x, если s =1

.

Теорема 2 (Разложение в дизъюнкцию). Любую функцию f ( x 1 . x m ) для любого n (1 Ј n Ј m ) можно представить в виде f ( x 1 . x m ) = x 1 s 1 & . & x n s n & f ( s 1 . s n ,x n+ 1 . x m )

Доказательство. Покажем, что для любого набора значений переменных ( x 1 . x n ,x n+ 1 . x m ) значения левой и правой частей совпадают. Возьмём фиксированный набор ( x 1 . x n ,x n+ 1 . x m ). Рассмотрим выражение x 1 s 1 & . & x n s n . Если одно из значений x i s i равно 0, то и всё выражение равно 0. Тогда и выражение x 1 s 1 & . & x n s n & f ( s 1 . s n ,x n+ 1 . x m ) равно 0. Единице же выражение x 1 s 1 & . & x n s n равно только в том случае, если s 1 = x 1 , . s n = x n . При этом f ( s 1 . s n ,x n+ 1 . x m ) = f ( x 1 . x n ,x n+ 1 . x m ) Таким образом, значение правой части всегда равно равно f ( x 1 . x m ), то есть значению левой части.

Теорема 3 (Разложение в конъюнкцию). Любую функцию f ( x 1 . x m ) для любого n (1 Ј n Ј m ) можно представить в виде f ( x 1 . x m ) = x 1 ¬ s 1 Ъ . Ъ x n ¬ s n Ъ f ( s 1 . s n ,x n+ 1 . x m )

Разложения по всем переменным дают суперпозицию конъюнкции, дизъюнкции и отрицания.

Следствие 1 (Совершенная дизъюнктивная нормальная форма).

Любая функция f может быть представлена в следующей форме: *

f ( x 1 . x m ) = x 1 s 1 & . & x m s m & f ( s 1 . s m ) = *

= x 1 s 1 & . & x m s m

Следствие 2 (Совершенная конъюнктивная нормальная форма).

Любая функция f может быть представлена в следующей форме: * f ( x 1 . x m ) = x 1 ¬ s 1 Ъ . Ъ x m ¬ s m

Таким образом, любая булева функция может быть представлена суперпозицией конъюнкции, дизъюнкции и отрицания. Разложение по всем переменным в дизъюнкцию называется совершенной дизъюнктивной нормальной формой функции, а в конъюнкцию – совершенной конъюнктивной нормальной формой . *

Совершенная дизъюнктивная и конъюнктивная нормальная формы дают способ представления булевой функции через суперпозицию конъюнкции, дизъюнкции и отрицания если у нас есть таблица значений функции.

Чтобы получить совершенную дизъюнктивную нормальную форму, надо взять все наборы, на которых значение функции равно 1 и записать для каждого из них конъюнкцию переменных и их отрицаний. Если в наборе значение переменной 0 – то переменную надо взять с отрицанием, если 1 – без отрицания. Из получившихся конъюнкций надо построить дизъюнкцию.

Чтобы получить совершенную конъюнктивную нормальную форму, надо взять все наборы, на которых значение функции равно 0 и записать для каждого из них дизъюнкцию переменных и их отрицаний. Если в наборе значение переменной 0 – то переменную надо взять без отрицания, если 1 – с отрицанием. Из получившихся дизъюнкций надо построить конъюнкцию.

Пример 4 (совершенная дизъюнктивная нормальная форма).

Построим совершенную дизъюнктивную нормальную форму функции, заданной следующей таблицей.

x	y	z	f
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	1

Наборы, на которых функция равна 1 – это (0,1,1), (1,0,1), (1,1,0), (1,1,1). Первый набор даёт конъюнкцию ¬x & y & z , второй – x & ¬y & z , третий – x & y & ¬z , четвёртый – x & y & z . В результате получаем ( ¬x & y & z ) Ъ ( x & ¬y & z ) Ъ ( x & y & ¬z ) Ъ ( x & y & z ).

Источник

Булева алгебра (алгебра логики)

Понятие алгебры логики

На этом уроке знакомимся с алгеброй логики (булевой алгеброй). Одним из её основателей стал английский математик Джордж Буль (1815-1864), который был из довольно бедной семьи, а в юности зарабатывал переводами сочинений древнегреческих философов. За этим занятием его и посетила мысль о том, что высказываниям можно присваивать значения 1 («истина») и 0 «ложь».

Итак, алгебра логики (булева алгебра) — это раздел математики, изучающий высказывания, рассматриваемые со стороны их логических значений (истинности или ложности) и логических операций над ними. Алгебра логики позволяет закодировать любые утверждения, истинность или ложность которых нужно доказать, а затем манипулировать ими подобно обычным числам в математике.

Создание алгебры логики в середине ХIХ века в трудах Джорджа Буля представляло собой попытку решать традиционные логические задачи алгебраическими методами.

Пусть функция от n переменных и любой из её аргументов могут принимать значения только из множества <0, 1>. Тогда эта функция называется логической, или булевой, или переключательной, или функцией алгебры логики. Описанную функцию часто называют также булевым вектором. Количество функций от n переменных равно 2 в степени n. То же самое можно сказать и иначе: число различных n-мерных булевых векторов равно 2 в степени n. А число различных функций алгебры логики от этих векторов равно уже .

Значениям переменной в булевой алгебре соответствуют состояниям элементов микросхем компьютера или любого другого электронного устройства: сигнал присутствует (логическая «1») или сигнал отсутствует (логический «0»).

На логических элементах, реализующих булевы функции, строятся логические схемы электронных устройств.

Законы булевой алгебры применяются и в программировании — при написании сложных логических условий и сложных запросов к базе данных. Один пример со скриптом на PHP приведён здесь (это статья о системе многокритериального поиска по сайту с базой данных). Ещё один пример — применение алгебры логики в создании многоуровневого меню сайта, в котором были бы открыты все пункты всех уровней, по которому пролегает путь к конечному открытому пункту меню.

Часто оказывается, что изначально построенное логическое выражение можно упростить, используя аксиомы, теоремы и законы алгебры логики.

Логические функции

Логические функции одной переменной

Функция	Название	Обозначение
	Константа нуля
	Повторение x
	Логическое отрицание, инверсия, «НЕ»
	Константа единицы

Переменная	Логические функции
x
0	0	0	1	1
1	0	1	0	1

Логические функции двух переменных

Функция	Название	Обозначение
	Константа нуля	или False
	Логическое умножение, конъюнкция, «И»	или или или
	Запрет по	или
	Переменная
	Запрет по	или
	Переменная
	Сложение по модулю 2, отрицание эквивалентности, исключающее «ИЛИ»	или или
	Логическое сложение, дизъюнкция, «ИЛИ»	или или или
	Функция Пирса (Вебба), «ИЛИ-НЕ»	или или
	Логическая равнозначность, эквиваленция	или или или
	Отрицание
	Правая импликация	или
	Отрицание
	Левая импликация	или
	Функция Шеффера, «И-НЕ»	или или
	Константа единицы	или True

Ниже дана таблица истинности для логических функций от двух переменных.

X1	0	0	1	1
X2	0	1	0	1
	0	0	0	0
	0	0	0	1
	0	0	1	0
	0	0	1	1
	0	1	0	0
	0	1	0	1
	0	1	1	0
	0	1	1	1
	1	0	0	0
	1	0	0	1
	1	0	1	0
	1	0	1	1
	1	1	0	0
	1	1	0	1
	1	1	1	0
	1	1	1	1

В логических схемах функции могут быть реализованы с произвольных количеством входных переменных, примеры — в материале Логические схемы и таблицы истинности.

Ответить на контрольные вопросы, а затем посмотреть ответы

Контрольный вопрос 1. Даны две переменные x 1 и x 2 . Число различных булевых векторов и различных ФАЛ от полученных векторов равны соответственно:

Контрольный вопрос 2. Какие из функций не являются ФАЛ одной переменной (и одна, и вторая в варианте ответа):

• отрицание и сложение по модулю два
• эквивалентность и повторение x
• отрицание и импликация
• функция Шеффера и эквивалентность
• запрет по x 2 и отрицание

Булев базис (логический базис)

Любую булеву функцию с произвольным количеством аргументов можно построить через подстановку элементарных функции вместо аргументов (суперпозицию). Набор простейших функций, с помощью которого можно выразить любые другие, сколь угодно сложные логические функции, называется функционально полным набором, или логическим базисом.

Инверсия (логическое отрицание, «НЕ»)

.

0	1
1	0

Конъюнкция (логическое умножение, «И»)

.

0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Дизъюнкция (логическое сложение, «ИЛИ»)

.

0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

В булевом базисе обычно строятся логические схемы, которые реализуют сколь угодно сложные логические функции, примеры — в материале Логические схемы и таблицы истинности.

Аналитическое представление логических функций

В качестве исходного описания сложных логических функций обычно используется таблица истинности, однако упрощение функций удобнее производить в аналитической форме. При аналитической записи функция алгебры логики представляется либо в виде логической суммы элементарных логических произведений (дизъюнкции элементарных конъюнкций), либо в виде логического произведения элементарных логических сумм (конъюнкции элементарных дизъюнкций). Первая форма записи имеет название дизъюнктивной нормальной формы (ДНФ), вторая — конъюнктивной нормальной формы (КНФ). В этих названиях термин «нормальная» означает отсутствие общей инверсии (отрицания) над несколькими перемнными сразу.

Дизъюнктивная нормальная форма

.

X1	X2	f
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Конъюнктивная нормальная форма

.

X1	X2	f
0	0	0
0	1	0
1	0	1
1	1	0

Способы описания логических функций

Применяются следующие способы описания логических функций:

• словесный;
• табличный;
• числовой;
• аналитический;
• координатный;
• графический.

Пример табличного описания функций алгебры логики. В верхней таблице под набором подразумевается набор значений логических переменных (1 или 0), а f — это значение функции алгебры логики, заданной определённой формулой. Нижняя таблица несёт в себе более подробную информацию о наборах, поскольку в ней указаны значения переменных.

Номер набора	f
0	0
1	1
2	0
3	0
4	1
5	1
6	0
7	1

X1	X2	X3	f
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	1
1	1	0	0
1	1	1	1

Приведённые выше таблицы имеют название таблиц истинности. Такие таблицы в практике необходимо строить для любой, сколь либо сложной булевой функции. Примеры таблиц истинности для булевых функций, реализованных в логических схемах — в материале Логические схемы и таблицы истинности.

Пример числового описания логических функций

или .

Пример аналитического описания логических функций

Пример координатного описания логических функций

Пример графического описания логических функций

Аксиомы алгебры логики

Аксиомы конъюнкции

.

Аксиомы дизъюнкции

.

Аксиомы отрицания

если , то ; если , то .

Теоремы алгебры логики

Теоремы исключения констант

.

Теоремы идемпотентности (тавтологии, повторения)

.

для n переменных

.

Теорема противоречия

.

Теорема «исключённого третьего»

.

Теорема двойного отрицания (инволюции)

.

Законы алгебры логики

Ассоциативный (сочетательный) закон

.

Коммутативный (переместительный) закон

.

Дистибутивный (распределительный) закон

.

.

Законы де Моргана (законы общей инверсии или дуальности)

.

.

Закон поглощения (элиминации)

.

Закон склеивания (исключения)

.

Источник