Принцип двойственности. разложение булевых функций по переменным. совершенные дизъюнктивная и конъюнктивная нормальные формы. Лабораторная работа Функции алгебры логики (булевы функции) Теорема о разложении булевой функции

Тогда функцию f(x 1 ,x 2 ,x 3) можно представить в виде дизъюнкции двух функций от двух переменных и эта формула будет иметь вид:

Рассмотрим следующие формулы:

Левая часть первой формулы эквивалентна правой, поскольку для x 1 =0 и в соответствии с операцией конъюнкции. Аналогично можно показать справедливость второй формулы. Таким образом, поставив эти формулы в предыдущую дизъюнкцию, получим:

Это выражение называется разложением функции f(x 1 ,x 2 ,x 3) по переменной x 1 .

Теперь аналогично можно разложить функции f(0,x 2 ,x 3) и f(1,x 2 ,x 3) по переменной x 2 . Получим

Подставляя эти формулы в предыдущие получим

Внесем в соответствии с дистрибутивностью операции & переменную x 1 и ее инверсию в скобки, получим

В общем виде для функции f(x 1 ,x 2 ,..,x n) от n переменных разложение по m переменным (m£n) имеет вид

где дизъюнкция берется по всем 2 m наборам переменных x 1 ,x 2 ,..,x m .

Рассмотрим разложение (*4) при крайнем случае, когда m=n. (см. пример (*3)).

Тогда во всех конъюнкциях значения функции f на каждом фиксированном наборе имеет значения равные нулю или единице. Удалив все нулевые конъюнкции, получим новое разложение и в этом новом разложении удалим в конъюнкциях сомножители функций, т.к. они равны 1. Оставшееся выражение называется СДНФ (совершенная дизъюнктивная нормальная форма).

Проделаем все это для примера (*3).

После удаления из (*3) конъюнкций с нулевыми значениями функции f на заданных наборах, получим:

Так как в соответствии с таблицей истинности

f(0,0,0) = f(0,1,0) = f(1,1,0) = f(1,1,1)=1

то из конъюнкций уберем сомножители функций, после чего получим:

Это и есть совершенная дизъюнктивная нормальная форма булевой функции f.

Лемма. Любая булева функция (кроме константы "0") имеет СДНФ, при том только одну.

Аналогично можно ввести конъюнктивную форму,

Построение СДНФ для функции, заданной таблицей

Данное следствие носит конструктивный характер, т.к. оно по таблице функции позволяет построить формулу, являющуюся СДНФ (если ).
СДНФ функции f содержит ровно столько конъюнкций, сколько единиц в таблице f ; каждому “единичному” набору (d 1 ,…,d n), т.е. набору, на котором значение функции равно 1, соответствует конъюнкция всех переменных, в которой x i взято с отрицанием, если d i=0 , и без отрицания, если d i =1 .

Рассмотрим вопрос представления n -местной булевой функции f (x 1 ,x 2 ,…,x n ) какой-нибудь формулой алгебры высказываний.

Введем обозначение, где - параметр, равный 0 или 1.

Очевидно, что

Теорема 1.1. Каждую функцию алгебры логики f (x 1 , x 2 ,…, x n ) при любом m (1 £ m £ n ) можно представить в следующей форме:

где дизъюнкция берется по всевозможным наборам значений переменных .

Доказательство . Рассмотрим произвольный набор значений всех переменных данной функции. Покажем, что на этом наборе левая и правая часть формулы (1) принимают одно и то же значение. Левая часть равна , правая

т.к. , если только , если же , то и соответствующее логическое слагаемое можно отбросить.

Замечание . Указанное в теореме представление функции называется разложением функции по m переменным .

Следствие 1 (разложение по одной переменной).

В этом случае функции и называются компонентами разложения .

Следствие 2 (разложение по всем переменным).

Очевидно, что если , то

Итак, если функцияf (x 1 ,x 2 ,…,x n )не является тождественно ложной функцией, то она может быть выражена равносильной формулой, представляющей, собой логическую сумму различных произведений вида , причем такое представление единственно.

Вид формулы (2) может быть значительно упрощен. Известно, что всякая формула алгебры логики может быть путем равносильных преобразований сведена к формуле, содержащей только конъюнкцию и отрицание или дизъюнкцию и отрицание. В результате проведения равносильных преобразований могут получиться несколько формул, однако только одна из них будет обладать следующими свойствами:

1. Каждое логическое слагаемое содержит все переменные, входящие в формулу f (x 1 ,x 2 ,…,x n ).

2. Ни одно логическое слагаемое не содержит одновременно переменную и ее отрицание.

3. Все логические слагаемые в формуле различны.

4. Ни одно логическое слагаемое не содержит одну и ту же переменную дважды.

Эти четыре свойства называются свойствами совершенства (или свойствами С).

Если f (x 1 ,x 2 ,…,x n ) задана таблицей истинности, то соответствующая формула алгебры логики восстанавливается довольно просто. Для всех значений аргументов x 1 ,x 2 ,…,x n , при которых f принимает значение 1, нужно записать конъюнкцию элементарных переменных высказываний, взяв за член конъюнкции x i , если x i =1, и , если x i =0. Дизъюнкция всех записанных конъюнкций и будет необходимой формулой. О значениях f 0 можно не беспокоиться, т.к. соответствующее слагаемое в формуле будет равно 0 и его можно отбросить в силу равносильности f Ú 0 ≡ f .

Например, пусть функция f (x , y , z ) имеет следующую таблицу истинности:

Разложение булевых функций по переменным.

Пусть G – параметр, равный 0 или 1. Введем обозначение:

Проверкой легко установить, что x G = 1, тогда и только тогда, когда x = G. Отсюда следует, конъюнкция равна 1 (здесь G равен 0 или 1) тогда и только тогда, когда . К примеру, конъюнкция (в которой G 2 = G 1 = 0, G 3 = G 4 = 1) равна 1 только в случае, когда x 1 = x 2 = 0, x 3 = x 4 = 1.

Теорема 1 Всякая булева функция f(x 1 ,x 2 ,…,x n) должна быть представлена в следующей форме:

где 1 ≤ k ≤ n, в дизъюнкции берется по всœем наборам значений переменных.

Это представление носит название разложения функции по переменным . К примеру, при n = 4, k = 2 разложение (3.1) имеет вид:

.

Докажем справедливость разложения (3.1). Для этого возьмем произвольный набор значений переменных . Покажем, что левая и правая части соотношения (3.1) принимают при нем одно и то же значение. Действительно, так как x G = 1 тогда и только тогда, когда x = G, то среди 2 К конъюнкции правой части (3.1) в единицу обращается только одна, в которой . Все остальные конъюнкции равны нулю.

По этой причине . В качестве следствия из разложения (3.1) получаем следующие два специальных разложения.

Разложение по переменной x n:

В случае если булева функция не есть константа 0, то справедливо разложение

Разложение по всœем переменным:

, (3.3)

где дизъюнкция берется по всœем наборам , при которых значение функции равно 1.

Разложение (3.3) принято называть совершенной дизъюнктивной нормальной формой (сокращенная запись СДНФ) функции.

Разложение (3.3) дает способ построения СДНФ. Для этого в таблице истинности отмечаем всœе строки , в которых . Для каждой такой строки образуем конъюнкцию и затем всœе полученные конъюнкции соединяем знаком дизъюнкции.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, существует взаимно однозначное соответствие между таблицей истинности функции и ее СДНФ. А это значит, что СДНФ для булевой функции единственна.

Единая булева функция, не имеющая СДНФ, есть константа 0.

Пример 1 Найти совершенную дизъюнктивную форму для функции .

Составим таблицу истинности для данной функции:

Отсюда получаем: = = .

Важную роль в алгебре логики играет следующее разложение булевых функций.

Теорема 2 Всякая булева функция должна быть представлена в следующей форме:

где 1≤k≤n, а конъюнкция берется по всœем 2 k наборам значений переменных.

Действительно, пусть – произвольный набор значений переменных. Покажем, что левая и правая части соотношения (3.4) принимают при нем одно и то же значение. Так как только тогда, когда , то среди 2 k дизъюнкций правой части (3.4) в 0 обращается только одна, в которой . Все остальные дизъюнкции равны 1.

По этой причине = = .

Непосредственно из разложения (3.4) следуют разложения булевых функций:

Последнее разложение носит название совершенной конъюнктивной нормальной формы (СКНФ). Разложение (3.6) дает способ построения СКНФ. Для этого в таблице истинности отмечаем всœе строки , в которых . Для каждой такой строки образуем дизъюнкцию и затем всœе полученные конъюнкции соединяем знаком конъюнкции. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, существует взаимно однозначное соответствие между таблицей истинности функции и ее СКНФ. А это значит, что СКНФ для булевой функции единственна.

Единственная булева функция, не имеющая СКНФ, есть константа 1.

Пример 2 Найти совершенную конъюнктивную нормальную форму для функции .

Составим таблицу истинности для данной функции.

Отсюда получаем СКНФ

Формула вида (краткая запись ), где – конъюнкции принято называть дизъюнктивной нормальной формой (ДНФ).

В силу приведенного определœения ДНФ будут, к примеру, выражения: , .

Как отмечено в пункте 2.2, всœе логические операции можно свести к трем: конъюнкции, дизъюнкции и отрицания. Причем, ввиду закона де Моргана, знак отрицания можно предполагать отнесенным только к переменным.

Теперь, используя дистрибутивный закон, раскрываем скобки и получаем дизъюнктивную нормальную форму. Итак, справедлива следующая теорема.

Теорема 3 Для любой формулы алгебры логики существует равносильная ей дизъюнктивная нормальная форма.

Доказательство данной теоремы дает способ построения дизъюнктивной нормальной формы для любой формулы алгебры логики.

Пример 3 Найти дизъюнктивную нормальную форму для следующей формулы: .

Исключая знак по закону и применяя законы де Моргана и двойного отрицания, получаем:

Затем, применяя закон дистрибутивности, раскроем скобки

Последнее выражение есть дизъюнктивная нормальная форма.

Форма вида (краткая запись ), где - дизъюнкции принято называть конъюнктивной нормальной формой (КНФ).

Такими являются, к примеру, выражения:

, .

Как показано выше, для любой формулы алгебры логики существует равносильная ей дизъюнктивная форма. Используя дистрибутивный закон , из данной ДНФ легко получить КНФ.

Итак, справедлива следующая теорема.

Теорема 4 Для любой формулы алгебры логики существует равносильная ей конъюнктивная нормальная форма.

Доказательство данной теоремы дает способ построения конъюнктивной нормальной формы для любой формулы алгебры логики.

Пример 4 Найти дизъюнктивную и конъюнктивную нормальные формы для следующей формулы: .

Используя закон , исключаем знак . Получаем формулу .

Используя закон де Моргана, получаем формулу . Раскрывая скобки, получаем дизъюнктивную нормальную форму

.

Чтобы получить конъюнктивную нормальную форму, применим к формуле дистрибутивный закон, получаем:

Последнее выражение является конъюнктивной нормальной формой. Так как и , то полученная КНФ равносильна следующей КНФ:

Среди всœех нормальных формул данной формулы выделим совершенную нормальную форму как дизъюнктивную, так и конъюнктивную. Учитывая разложение (3), нетрудно заметить, что совершенная дизъюнктивная нормальная форма формулы алгебры логики, содержащей ровно n различных переменных, есть ее дизъюнктивная нормальная форма, в которой:

1) всœе конъюнкции попарно различны;

2) каждая конъюнкция содержит ровно n переменных;

3) в каждой конъюнкции встречаются всœе n переменных.

На примере 1 мы рассмотрели один из способов построения СДНФ, основанный на составлении таблицы истинности. Следующий способ построения СДНФ основан на применении законов алгебры логики.

Пример 5 Найти совершенную дизъюнктивную форму формулы .

Используя, что , получаем . Ввиду законов де Моргана и двойного отрицания имеем получили дизъюнктивную нормальную форму . Данная ДНФ равносильна формуле .

Раскрывая скобки, получаем: .

Используя закон идемпотентности, получаем требуемую СДНФ:

Учитывая разложение (3.6), нетрудно заметить, что совершенная конъюнктивная нормальная форма формулы алгебры логики, содержащей ровно n различных переменных, есть ее конъюнктивная нормальная форма, в которой:

1) всœе дизъюнкции попарно различны;

2) каждая дизъюнкция содержит ровно n членов;тождественно истинной , в случае если она при всœех значениях входящих в нее переменных принимает значение истинно .

Примерами тождественно истинных формул являются формулы:

тождественно ложной , в случае если она при всœех значениях, входящих в нее переменных, принимает значение ложь.

Примерами тождественно ложных формул являются формулы:

Формула алгебры логики принято называть выполнимой , в случае если она при некоторых значениях, входящих в нее переменных, принимает значение истинно.

Примерами выполнимых формул являются следующие формулы:

В алгебре логики можно поставить следующую задачу: указать способ (алгоритм), позволяющий для каждой формулы алгебры логики узнать, является она тождественно истинной или нет. Поставленная задача носит название проблемы разрешения.

Рассмотрим следующие два способа решения этой задачи.

Способ 1 (табличный) Для того, чтобы определить, является ли данная формула тождественно истинной или нет, достаточно составить ее таблицу истинности.