Минимизация методом карт Карно

Карты Карно – это графическое изображение таблиц истинности.

Пусть задана функция Минимизация методом карт Карно - student2.ru . Подмножество элементов Минимизация методом карт Карно - student2.ru , в которых Минимизация методом карт Карно - student2.ru , называется носителем функции f и обозначается через supp(f). Конечные пересечения подмножеств вида: Минимизация методом карт Карно - student2.ru называются кубиками. Кубики будут равны: Минимизация методом карт Карно - student2.ru , для некоторых Минимизация методом карт Карно - student2.ru и Минимизация методом карт Карно - student2.ru , таких, что Минимизация методом карт Карно - student2.ru . Если кубики являются максимальными, содержащимися в носителе, и попарно не пересекаются, то формула

Минимизация методом карт Карно - student2.ru

будет давать разложение в дизъюнктивную нормальную форму, минимальное по количеству слагаемых. Карты Карно позволяют «увидеть» эти кубики. Для функций двух, трех и четырех переменных они имеют следующие структуры:

Минимизация методом карт Карно - student2.ru x1 x2
f(0,0) f(0,1)
f(1,0) f(1,1)

Минимизация методом карт Карно - student2.ru

  x2 x3
x1  
f(0,0,0) f(0,0,1) f(0,1,1) f(0,1,0)
f(1,0,0) f(1,0,1) f(1,1,1) f(1,1,0)

Минимизация методом карт Карно - student2.ru

  х3 x4
x1 x2  
f(0,0,0,0) f(0,0,0,1) f(0,0,1,1) f(0,0,1,0)
f(0,1,0,0) f(0,1,0,1) f(0,1,1,1) f(0,1,1,0)
f(1,1,0,0) f(1,1,0,1) f(1,1,1,1) f(1,1,1,0)
f(1,0,0,0) f(1,0,0,1) f(1,0,1,1) f(1,0,1,0)

Кубикам будут соответствовать отрезки и квадраты. Рассмотрим примеры кубиков и соответствующих им логических произведений:


 

Минимизация методом карт Карно - student2.ru

 

Минимизация методом карт Карно - student2.ru

Возможно превращение кубиков в квадраты и отрезки после отождествления противоположных сторон карты Карно, например:

 

Минимизация методом карт Карно - student2.ru

 

Минимизация методом карт Карно - student2.ru

Логические произведения состоят из сомножителей, значения которых не изменяются внутри кубика. Если это значение равно 1, то для переменной Минимизация методом карт Карно - student2.ru берется сомножитель Минимизация методом карт Карно - student2.ru , а если это значение равно 0 – то сомножитель Минимизация методом карт Карно - student2.ru .

Пример

Для булевой функции:

Минимизация методом карт Карно - student2.ru

найти дизъюнктивную нормальную форму с наименьшим числом логических слагаемых.

Решение. Составим карту Карно:

Минимизация методом карт Карно - student2.ru х3 x4
x1 x2  

Получаем 2 кубика: Минимизация методом карт Карно - student2.ru и Минимизация методом карт Карно - student2.ru . Внутри первого кубика не изменяются переменные Минимизация методом карт Карно - student2.ru и Минимизация методом карт Карно - student2.ru , и равны 0. Значит, первое слагаемое равно: Минимизация методом карт Карно - student2.ru . Внутри второго кубика не изменяются Минимизация методом карт Карно - student2.ru и Минимизация методом карт Карно - student2.ru , откуда второе слагаемое равно: Минимизация методом карт Карно - student2.ru . Следовательно, искомая дизъюнктивная нормальная форма равна: Минимизация методом карт Карно - student2.ru .

ИСЧИСЛЕНИЕ ВЫСКАЗЫВАНИЙ

Математическая логика основана на понятии простого высказывания. Простое высказывание – это утверждение, про которое можно сказать, истинно оно или ложно при данных условиях. Из простых высказываний с помощью логических операций строятся составныевысказывания,которые далее будут называться просто высказываниями. Сохраняющее эти операции сопоставление каждому высказыванию одного из значений «истина» или «ложь», обозначаемых соответственно 1 или 0, называется интерпретацией исчисления высказываний.

Классические логические задачи приводят к поиску интерпретации исчисления высказываний, при которой значения заданных высказываний известны. К таким задачам относятся, например, занимательные задачи об определении преступника на основе показаний, достоверность которых установлена.

В данной главе будет дано точное определение исчисления высказываний и доказаны теоремы о дедукции и полноте. Будет введено понятие формальной теории и доказана равносильность исчисления высказываний теории, основанной на аксиомах Клини.

Исчисление высказываний L

Алфавитом называется произвольное множество. Его элементы называются символами. Произвольная конечная последовательность символов называется словом. Слово может быть пустым.

Исчисление высказываний L определяется следующим образом:

Его алфавит состоит из символов Минимизация методом карт Карно - student2.ru , называемых логическими,и из символов, принадлежащих произвольному множеству Р, называемых нелогическими символами или буквами.

Синтаксис исчисления L определяется с помощью наименьшего подмножества S множества слов, такого, что

1) Р Минимизация методом карт Карно - student2.ru S;

2) Если A Минимизация методом карт Карно - student2.ru S и B Минимизация методом карт Карно - student2.ru S , то Минимизация методом карт Карно - student2.ru A Минимизация методом карт Карно - student2.ru S и (A Минимизация методом карт Карно - student2.ru B) Минимизация методом карт Карно - student2.ru S.

Элементы множества S называются (пропозициональными) формулами. Таким образом, формулами называются слова, определяемые по индукции с помощью правил 1 – 2 из логических и нелогических символов.

Аксиомами исчисления L называются формулы:

(A1) A Минимизация методом карт Карно - student2.ru (B Минимизация методом карт Карно - student2.ru A),

(A2) (A Минимизация методом карт Карно - student2.ru (B Минимизация методом карт Карно - student2.ru C)) Минимизация методом карт Карно - student2.ru ((A Минимизация методом карт Карно - student2.ru B) Минимизация методом карт Карно - student2.ru (A Минимизация методом карт Карно - student2.ru C)),

(A3) ( Минимизация методом карт Карно - student2.ru B Минимизация методом карт Карно - student2.ru Минимизация методом карт Карно - student2.ru A) Минимизация методом карт Карно - student2.ru (( Минимизация методом карт Карно - student2.ru B Минимизация методом карт Карно - student2.ru A) Минимизация методом карт Карно - student2.ru B).

Здесь A, B, C – произвольные формулы. Поэтому в действительности мы имеем бесконечное множество аксиом, в каждой из групп A1, A2 и A3.

Правилом выводаModus Ponens называется множество троек формул (A,A Минимизация методом карт Карно - student2.ru B,B), которое позволяет паре формул (A,A Минимизация методом карт Карно - student2.ru B) поставить в соответствие формулу B, называющуюся непосредственным следствием этих формул. Правило вывода Modus Ponens обозначается через MP и записывается, как

Минимизация методом карт Карно - student2.ru MP

Формула A называется выводимой в исчислении L из формул X1, X2, …, Xk, если существует последовательность формул: A1, A2, A3, …, An, такая, что для каждого Минимизация методом карт Карно - student2.ru формула Ai является либо аксиомой исчисления L, либо элементом множества {X1, …, Xk} , либо непосредственным следствием формул Ap и Aq, при некоторых
1 Минимизация методом карт Карно - student2.ru p, q Минимизация методом карт Карно - student2.ru i-1. В этом случае последовательность: A1, A2, A3, …, An называется выводом формулы A. Для обозначения выводимости формулы A в исчислении L из формул X1, …, Xk применяется запись:

X1, X2, …, Xk Минимизация методом карт Карно - student2.ru L A .

Если для вывода формулы A достаточно аксиом, то А называется теоремой теории L, а выводимость из пустого множества формул записывается, как

Минимизация методом карт Карно - student2.ru L А .

Лемма. Имеет место теорема Минимизация методом карт Карно - student2.ru L А Минимизация методом карт Карно - student2.ru А.

Доказательство. Построим вывод формулы А Минимизация методом карт Карно - student2.ru А из аксиом (А1) – (А3) следующим образом:

А1 будет аксиомой (А2) для формул А, B = (А Минимизация методом карт Карно - student2.ru А), С = А;

А2 будет аксиомой (А1) для формул А, В = (А Минимизация методом карт Карно - student2.ru А);

получим:

А1=(А Минимизация методом карт Карно - student2.ru ((А Минимизация методом карт Карно - student2.ru А) Минимизация методом карт Карно - student2.ru А)) Минимизация методом карт Карно - student2.ru ((А Минимизация методом карт Карно - student2.ruМинимизация методом карт Карно - student2.ru А)) Минимизация методом карт Карно - student2.ruМинимизация методом карт Карно - student2.ru А)),

А2Минимизация методом карт Карно - student2.ru ((А Минимизация методом карт Карно - student2.ru А) Минимизация методом карт Карно - student2.ru А).

Применяя правило вывода Минимизация методом карт Карно - student2.ru MP , будем иметь непосредственное следствие формул A2 и A1:

А3=(А Минимизация методом карт Карно - student2.ruМинимизация методом карт Карно - student2.ru А)) Минимизация методом карт Карно - student2.ruМинимизация методом карт Карно - student2.ru А).

Следующая формула получается из аксиомы (А1) подстановкой В = А:

А4Минимизация методом карт Карно - student2.ruМинимизация методом карт Карно - student2.ru А).

Применяя правило вывода Минимизация методом карт Карно - student2.ru MP, получим:

А5 = А Минимизация методом карт Карно - student2.ru А.

Последовательность формул: A1, A2, A3, А4, А5 = (А Минимизация методом карт Карно - student2.ru А) является искомым выводом формулы А Минимизация методом карт Карно - student2.ru А.

Теорема о дедукции

Пусть Г – множество формул. Запись Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru L А означает, что существует конечная последовательность формул Xi Минимизация методом карт Карно - student2.ru Г, Минимизация методом карт Карно - student2.ru , такая, что X1, X2, …,Xn Минимизация методом карт Карно - student2.ru L A. Вместо Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru {X} Минимизация методом карт Карно - student2.ru L А будем писать Г, X Минимизация методом карт Карно - student2.ru L А. Легко видеть, что из Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru В) следует существование вывода Г, А Минимизация методом карт Карно - student2.ru L В. Верно и обратное утверждение:

Теорема (о дедукции). Пусть Г – множество формул исчисления L; А и В – формулы, и пусть

Г, А Минимизация методом карт Карно - student2.ru L В.

Тогда Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru В). В частности, при пустом Г, из выводимости А Минимизация методом карт Карно - student2.ru L В вытекает теорема: Минимизация методом карт Карно - student2.ru L А Минимизация методом карт Карно - student2.ru В.

Доказательство. Пусть В1, В2, …, Вn = В – вывод формулы из формул, принадлежащих множеству Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru {A}. Докажем с помощью индукции по i, что Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru Вi), а затем применим это к i = n, чтобы получить Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru В). При i = 1 имеем В1 Минимизация методом карт Карно - student2.ru Г, либо В1 = А, либо В1 – аксиома. Если В1 Минимизация методом карт Карно - student2.ru Г, либо В1 – аксиома, тогда получаем с помощью аксиомы (А1) формулу В1 Минимизация методом карт Карно - student2.ruМинимизация методом карт Карно - student2.ru В1). Применение MP к В1 и В1 Минимизация методом карт Карно - student2.ru (A Минимизация методом карт Карно - student2.ru В1) дает вывод для А Минимизация методом карт Карно - student2.ru В1 из Г. Если же В1 = А, то имеем: Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru В1) по доказанной лемме о том, что верна теорема Минимизация методом карт Карно - student2.ru L А Минимизация методом карт Карно - student2.ru А.

Докажем теперь: Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru L Минимизация методом карт Карно - student2.ru Вi) при i > 1, предполагая, что выводимость
Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru Вк) уже доказана для всех k < i.

Для Вi имеем 4 возможности: Вi Минимизация методом карт Карно - student2.ru Г; Вi – аксиома; Вi = А; Вi непосредственно следует из Вj и Вm, при некоторых j, m Минимизация методом карт Карно - student2.ru i-1. В первых трёх случаях Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru L А Минимизация методом карт Карно - student2.ru Вi доказывается так же, как при i = 1. В четвёртом случае формула Вm равна формуле (Вj Минимизация методом карт Карно - student2.ru Вi), и согласно предположению индукции имеем:

Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru Вj) и Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ruj Минимизация методом карт Карно - student2.ru Вi)),

ибо (Вj Минимизация методом карт Карно - student2.ru Вi)=Вm. По аксиоме (А2) верно

Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ruj Минимизация методом карт Карно - student2.ru Вi)) Минимизация методом карт Карно - student2.ru ((А Минимизация методом карт Карно - student2.ru Вj) Минимизация методом карт Карно - student2.ruМинимизация методом карт Карно - student2.ru Вi)).

Применение

Минимизация методом карт Карно - student2.ru MP

приводит к выводу Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru Вj) Минимизация методом карт Карно - student2.ruМинимизация методом карт Карно - student2.ru Вi). Из этого вывода и вывода Г
Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru Вj) с помощью Modus Ponens получаем:

Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru Вi).

Таким образом, Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru Вi), для всех i = 1,…,n. В частности, при i = n, получаем:

Г Минимизация методом карт Карно - student2.ru LМинимизация методом карт Карно - student2.ru В),

что и требовалось доказать.

Наши рекомендации