Способы задания булевых функций
Для задания произвольной булевой функции широко используются табличный (матричный) и аналитическийспособы. При табличном способе булева функция f (х1, . хn) задается таблицей истинности (табл. 7), в левой части которой представлены все возможные двоичные наборы длины n, а в правой указывается значения функции на этих наборах.
| № набора | х1х2х3 | f |
| 0 1 2 3 4 5 6 7 | 000 001 010 011 100 101 110 111 | 0 1 0 0 1 1 0 1 |
Под двоичным набором понимается совокупность значений аргументов х1,х2, . xn булевой функции f. Двоичный набор имеет длину n, если он представлен n цифрами из множества <0,1>. В табл. 7 представлены все двоичные наборы длины 3. Иногда двоичные наборы из таблицы истинности булевой функции удобно представлять их номерами. Запишем аргументы х1,х2, . xn в порядке возрастания их индексов. Тогда любому двоичному набору можно поставить в соответствие целое десятичное число N, называемое номером набора. Например, двоичные наборы 011 и 101 имеют номера 3 и 5 соответственно. Булевы функции, зависящие от большого числа переменных, задавать таблицей истинности неудобно в силу ее громоздкости. Например, таблица истинности булевой функции 8 переменных будет содержать 2 8 = 256 строк. Для задания функций многих переменных удобно использовать модификацию таблицы истинности. Рассмотрим способ построения такой таблицы истинности для функции n переменных. Множество из n переменных функции разбивается на два подмножества: х1, х2, . хj-1 и хj, хj+1, . хn. Переменными x1, x2, . xn отмечают строки таблицы истинности, задавая в каждой строке значение соответствующего двоичного набора длины j-1. Переменными xj, xj+i, . xn отмечают ее столбцы, задавая в каждом столбце значения соответствующего двоичного набора длины n-j+1. Значение функции записывается в клетке на пересечении соответствующей строки и столбца (табл. 8).
| x1,x2. xj-1 | xj, xj+1, . xn | ||
| 00. 0 | 0. 1 | . | 11. 1 |
| 00. 0 | |||
| 00. 1 | |||
| . | |||
| 11. 1 |
При аналитическом способе булева функция задается формулой, то есть аналитическим выражением, построенным из операций булевой алгебры. Аналитический способ задания булевых функций занимает особое место в проектировании цифровых автоматов. Фактически все преобразования над булевыми функциями, необходимые для построения цифровых автоматов, ведутся на аналитическом уровне.
Основные понятия алгебры логики
Существует не более чем различных булевых функций n перемен-ных. К этому выводу легко прийти, пользуясь простыми комбинаторными рассуждениями, и вспомнив, что на каждом из 2 n наборов функции могут принимать два значения.
Функций от одной переменной четыре: это константа 0, константа 1, тождественная функция, то есть функция, значение которой совпадает с аргументом и функция отрицания значение которой противоположно значению аргумента. Отрицание будем обозначать x.
x 0 x x 1
Функции от некоторого числа переменных можно рассматривать как функции от большего числа переменных, при этом значения функции не меняются при изменении этих »добавочных» переменных. Такие переменные называются фиктивными, в отличие от остальных – существенных (действительных).
Переменная xi называется фиктивной (несущественной) переменной функции f(x1,···,xn), если
Функции двух переменных представлены в табл. 9 .
| х1х2 | f0 | f1 | f2 | f3 | f4 | f5 | f6 | f7 | f8 | f9 | f10 | f11 | f12 | f13 | f14 | f15 |
| 00 01 10 11 | 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 |
Отметим наиболее часто используемые функции из числа приведенных в таблице:
f0 (x1, x2) = 0 — тождественный ноль (константа 0);
f1 (x1, x2) = x1 ∙ x2 – конъюнкция (логическое произведение, И). Иногда употребляется знак & или /\:
f6 (x1, x2) = x1 Åx2 — сложение по модулю 2 или сумма mod 2;
f7 (х1, х2) = x1 + x2 — дизъюнкция (логическое сложение, ИЛИ) или знак V;
f8 (x1, x2) = x1 ↓ x2 — функция Вебба (стрелка Пирса, ИЛИ-НЕ);
f15(x1, x2) = 1-тождественная единица (константа 1).
Основными операциями булевой алгебры являются: отрицание, логическое сложение и логическое умножение. В булевой алгебре возведение в степень и извлечение корня являются вырожденными логическими операциями, поскольку значения, принимаемые аргументами при возведении в степень и извлечении корня, остаются неизменными, если принять справедливость равенств 1·1= 1 и 0·0= 0. Операции вычитания и деления не рассматриваются и не допускаются.
Логическое отрицание (функция НЕ). Логическим отрицанием высказывания x называется такое сложное высказывание f1(x), которое истинно, когда x ложно, и наоборот. Функция НЕ записывается следующим образом f1=x. Реализующий функцию НЕ элемент приведен на рис. 13а.
Логическое умножение (конъюнкция). Конъюнкция (функция И) двух переменных x1 и x2 это сложное высказывание, которое истинно только тогда, когда истинны x1 и x2, и ложно для всех остальных наборов переменных. Логическая функция конъюнкции имеет вид f=x1·x2. Для обозначения операции конъюнкции используются также символы & и Λ. Функция логического умножения (И) от n переменных имеет вид f2=(x1, x2, …, xn)= x1·x2· … ·xn = Λ xi. Элемент, реализующий операцию логического умножения, изображен на рис. 13б.
Логическое сложение (дизъюнкция). Дизъюнкция (функция ИЛИ) двух переменных x1 и x2 – это сложное высказывание, которое истинно тогда, когда истинна хотя бы одна из переменных x1 и x2, и ложно, когда они обе ложны. Логическая функция дизъюнкции имеет вид f=x1+x2. Для обозначения операции дизъюнкции используется также символ V. Функция логического сложения (ИЛИ) от n переменных имеет вид f2=(x1, x2, …, xn)= x1+x2+ … +xn = V xi. Элемент, реализующий операцию логического сложения, изображен на рис. 13в.
Отрицание конъюнкции (операция Шеффера). Отрицание конъюнкции (функция И-НЕ) двух переменных x1 и x2 – сложное высказывание, ложное только при истинности обоих аргументов x1 и x2. Логическая функция И-НЕ имеет вид f=x1·x2. Элемент, реализующий указанную операцию, изображен на рис. 13г и называется элементом Шеффера или элементом И-НЕ.
Отрицание дизъюнкции (операция Пирса (Вебба)). Отрицание дизъюнкции (функция ИЛИ-НЕ) двух переменных x1 и x2 – сложное высказывание, истинное только тогда, когда оба аргумента принимают ложное значение. Логическая функция ИЛИ-НЕ имеет вид f=x1+x2. Элемент, реализующий указанную операцию, изображен на рис. 13д и называется элементом Пирса или элементом ИЛИ-НЕ.
Сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ). Сложение по модулю два это сложное высказывание, которое истинно только тогда, когда истинна только одна из переменных x1 и x2. Логическая функция ”сумма по модулю два” имеет вид f=x1Åx2. Если число переменных n>2, то функция истинна на тех наборах, в которых число единиц нечетно. Элемент, реализующий операцию сумма по модулю два, изображен на рис. 13ж.
 |
Импликация. Это высказывание, принимающее ложное значение только в случае если x1 истинно и x2 ложно.
Простейшие булевы функции позволяют строить новые булевы функции с помощью обобщенной операции, называемой операцией суперпозиции.
Функция f(x,y) = (x & y) является суперпозицией функций и &. Функция g(x,y) = x Å (x Ú y) является суперпозицией функций Å и Ú. Функция h(x,y,z) = (x & y) Å z является суперпозицией функций Å и &.
Суперпозиция функций одного аргумента порождает функции одного аргумента. Суперпозиция функций двух аргументов дает возможность строить функции любого числа аргументов. Суперпозиция булевых функций представляется в виде логических формул. Однако следует отметить:
§ одна и та же функция может быть представлена разными формулами;
§ каждой формуле соответствует своя суперпозиция и, следовательно, своя схема соединений элементов;
§ между формулами представления булевых функций и схемами, их реализующими, существует взаимно однозначное соответствие.
Очевидно, среди схем, реализующих данную функцию, есть наиболее простая. Поиск логической формулы, соответствующей этой схеме, представляет большой практический интерес. Преобразование формул булевых функций основано на использовании соотношений булевой алгебры.
Источник
Таблицы булевых функций и булев оператор
Булева функция от п переменных может быть задана таблицей, состоящей из двух столбцов и строк. В первом столбце перечисляются все наборы из в лексикографическом порядке, а во втором — значения функции на наборах. Форма таблицы произвольной булевой функции приведена ниже (табл. 6.1).
В (k+1)-й строке таблицы расположен набор , являющийся двоичным кодом числа (при ).
Рассмотрим некоторые примеры булевых функций, которые будем задавать посредством таблиц.
При имеем четыре булевы функции (табл. 6.2).
Функцию называют тождественной функцией, а функцию — отрицанием. Функции и являются функциями (от одного переменного), принимающими постоянное значение (0 и 1 соответственно). Их также зачастую называют константой 0 и константой 1. Постоянные функции, разумеется, могут быть определены и при любом (большем 1) числе переменных.
В табл. 6.3 указаны семь (из ) наиболее важных для дальнейшего изложения булевых функций от двух переменных.
Поскольку каждая булева функция от двух переменных есть одновременно и бинарная операция на множестве , то естественно для таких функций использовать запись, принятую для бинарных операций: вместо .
Для функций, записанных в табл. 6.3, принимаются следующие обозначения:
Функцию называют дизъюнкцией, — конъюнкцией, — сложением по модулю 2 , — импликацией, — эквивалентностью, — штрихом Шеффера, — стрелкой Пирса.
Дизъюнкция и конъюнкция, как видно, — это операции двухэлементной булевой алгебры — объединение и пересечение соответственно (тогда как функция отрицания есть не что иное, как дополнение в этой булевой алгебре). В то же время дизъюнкция и конъюнкция — это не что иное, как одноименные логические операции. Очевидным образом с логическими связками, помимо отрицания, соотносятся импликация и эквивалентность (хотя их обозначения как булевых функций несколько отличаются от обозначений в математической логике). Таблицы для введенных булевых функций являются тогда не чем иным, как формой представления таблиц истинности.
Далее, можно заметить, что сложение по модулю 2 совпадает с операцией сложения кольца вычетов по модулю 2, штрих Шеффера есть отрицание конъюнкции, а стрелка Пирса — отрицание дизъюнкции, т.е.
Приведем для примера таблицу булевой функции от трех переменных (табл. 6.4).
Эта функция называется мажоритарной функцией или функцией голосования. Заметим, что в первом столбце табл. 6.4 для каждого набора из указан его номер, т.е. число, двоичным кодом которого служит данный набор.
Теоретически таблицей можно задать любую булеву функцию, но при большом числе переменных этот способ практически не применим. Далее мы рассмотрим способ задания булевых функций в виде формул, аналогичный аналитическому заданию элементарных функций в анализе. С точки зрения логической интерпретации булевой функции ее таблица есть таблица истинности некоторого сложного высказывания. Переменными функции являются входящие в сложное высказывание простые высказывания.
Кроме того, полезно иметь в виду, что, записывая таблицу булевой функции от п переменных, нет необходимости каждый раз перечислять все наборы длины — достаточно записать вектор значений булевой функции, понимая, что i-я компонента этого вектора есть значение функции на i-м наборе (двоичном коде числа ).
Тогда мажоритарная функция может быть задана так: .
Можно также перечислить номера тех наборов, на которых функция принимает значение 1: .
Булев оператор
Обобщением понятия булевой функции служит понятие булева оператора. Булев оператор — это произвольное отображение вида
Булев оператор (6.3) может быть задан посредством семейства булевых функций в виде
Функции в (6.4) будем называть координатными функциями булева оператора (6.3). Бели ввести векторы переменных и , то булев оператор (6.3), заданный семейством координатных функций (6.4), можно записать в таком виде:
Источник
