Пусть F - двоичная функция от n переменных. Предположим, что F не равна тождественно нулю. Пусть T₁, T₂,…, T_k - все точки ее определения, в которых F=1. Можно доказать, что справедлива следующая формула:

,

где , j=1,2,…, k,

Построить функцию F можно и по-другому. Если функция F не равна тождественно единице и S₁, S₂,…, S_m - все точки области ее определения, в которых F=0, то справедлива формула:

,

где , j=1,2,…, m.

Из приведенных формул видно, что любую двоичную функцию можно записать, используя лишь операции ¬, , .

Основная конъюнкция - это конъюнкция основных высказываний переменных или их отрицаний. Например, .

Основная дизъюнкция - это дизъюнкция основных высказываний переменных или их отрицаний. Например, .

Конъюнктивной нормальной формой (КНФ) данной формулы называется формула, равносильная данной и представленная в виде конъюнкции основных дизъюнкций. Например, (A+B) (A+C+B) (D+A).

Дизъюнктивной нормальной формой (ДНФ) данной формулы называется формула, равносильная данной и представленная в виде дизъюнкции основных конъюнкций. Например, AB+C+AC.

Теорема 1. Для того чтобы формула алгебры высказываний была тождественно истинной, необходимо и достаточно, чтобы ее КНФ содержала в каждой элементарной дизъюнкции некоторое высказывание и его отрицание.

Теорема 2. Для того чтобы формула алгебры высказываний была тождественно ложной, необходимо и достаточно, чтобы ее ДНФ содержала в каждой элементарной конъюнкции некоторое высказывание и его отрицание.

Совершенные дизъюнктивные, конъюнктивные и полиномиальные нормальные формы представления переключательных (логических) функций. Многообразие формул, посредством которых может быть выражена любая логическая функция, определяет многообразие форм логических функций, т. е. способов их записи путем применения к переменным и их группам элементарных логических операций. Наиболее удобными для практического использования оказываются совершенные нормальные формы представления сложных логических функций. В алгебре логики доказывают, что любая логическая функция F (A, B, C,…, N) может быть представлена только одной совершенной дизъюнктивной нормальной формой (кроме константы нуль) или только одной совершенной конъюнктивной нормальной формой (кроме константы единица).

Пусть функция X=F (A, B, C) задана таблицей 4. Запись функции Х в виде логической суммы (дизъюнкции) логических произведений (конъюнкций) переменных, для которых значение функции Х равно 1, и является совершенной дизъюнктивной нормальной формой (СДНФ) представления логической функции.

Таблица 4

СДНФ логической функции следует находить в такой последовательности:

1) составить произведения переменных для строк таблицы истинности, в которых Х равна 1. Если значение переменной (А, В или С) в строке равно 0, то в произведении записывается отрицание этой переменной;

2) написать сумму произведений, для которых функция Х равна 1. Полученная сумма и является СДНФ. В общем виде

, (1)

Это правило называют правилом записи переключательной функции по единицам. Согласно этому правилу, данные табл. 4 описываются аналитическим выражением, связывающим все наборы переменных, для которых Х=1, в виде:

. (2)

Запись функции Х в виде логического произведения (конъюнкции) логических сумм (дизъюнкций) переменных, для которых функция Х равна 0, является совершенной конъюнктивной нормальной формой (СКНФ) представления логической функции.

Для табл. 4 аналитическое выражение в СДНФ, связывающее все наборы переменных, для которых Х=0, имеет вид:

. (3)

Для представления логической функции Х в СКНФ произведем операцию отрицания левой и правой частей равенства (3)

и на основании законов двойного отрицания и инверсии

. (4)

СКНФ логической функции, согласно (4), следует находить в такой последовательности:

1) составить логические суммы переменных для строк таблицы истинности, в которых функция Х равна 0. Если значение переменной (А, В или С) в строке равно 1, то в сумме записывается отрицание этой переменной;

2) написать логическое произведение составленных логических сумм. Полученное произведение и является СКНФ. В общем виде:

, (5)

где F_i - сложные дизъюнкции.

Это правило также называют правилом построения переключательной функции по нулям.

Кроме представления функций в виде СДНФ и СКНФ используют и совершенную полиномиальную нормальную форму СПНФ. Вместо дизъюнкции может быть записана функция сложения по модулю два (сумма Жегалкина):

, (6)

где F_i - сложные конъюнкции.

Существует специальная таблица, в которой все элементарные логические операции от двух аргументов представлены в двух совершенных нормальных формах.

Нормальные формы представления переключательной функции иногда называют стандартными (табл. 5).

Таблица 5

Многочленом Жегалкина называется многочлен, являющийся суммой константы 0 или 1 и различных одночленов, в которые все переменные входят не выше, чем в первой степени.

Теорема. Любая функция булевой алгебры может быть представлена, и притом единственным образом, с помощью полинома Жегалкина вида

J =.

Представим, например, в виде полинома выражение вида X₁X₂. Для этого проведем следующие рассуждения.

Пусть

X₁X₂ = aX₁X₂+bX₁+cX₂+k,

где а, b, с, k - неопределенные коэффициенты.

При X₁ = X₂ = 0 имеем k = 0. При Х₁ = 1, X₂= 0 имеем b= 1. При Х₁= 0, Х₂= 1 имеем с= 1. При X₁=Х₂= 1 имеем а + b + с = 1, т. е. а = -1. Таким образом, получаем:

X₁X₂ = - X₁X₂+ X₁+ X₂.

СПНФ образуется путем замены в СДНФ: на + и на

1 х.

,

,

В последнем случае выражение для легко можно упростить, если раскрыть скобки и взаимно сократить все одинаковые слагаемые, входящие в формулу четное число раз:

.

Подобное упрощение, которое называется минимизацией логической функции, можно осуществить и по отношению к СДНФ и СКНФ.

Таблица 6

Применение законов алгебры логики позволяет найти более компактные аналитические выражения для заданной функции у, т. е. минимальную дизъюнктивную нормальную форму . Приведем соответствующие формы представления функции у, заданной табл. 6:

,

и для СКНФ, т. е. минимальную КНФ:

.

После того, как найдены минимальные нормальные формы (МНФ), их рекомендуется проверить на всех наборах аргументов . Переменные или часто называют термами. Именно полный набор из n термов образует конституенту. В процессе же минимизации некоторые термы из конституент пропадут. Тогда оставшуюся часть дизъюнкта или конъюнкта называют импликантой.

Как мы только что убедились на примере, импликанты появляются в результате склейки смежных конституент, различающихся одним термом.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Дайте определение логической функции многих переменных.

2. Что такое вектор значений булевой функции? Приведите пример построения таблицы истинности логической функции многих переменных.

3. Сколько существует булевых функций от n переменных?

4. Что такое ДНФ и КНФ?

5. Каков алгоритм построения СДНФ? Приведите пример построения СДНФ.

6. Каков алгоритм построения СКНФ? Приведите пример построения СКНФ.

7. Составьте СКНФ и СДНФ для функции .

8. Приведите пример построения СПНФ.

3.7 Некоторые замкнутые классы (классы Поста). Понятие базиса

Алгебра Жегалкина и линейные функции

Наиболее употребляемая операция при минимизации функций - это операция склеивания.

AB+ ВB=B (A+ В)=B.

Рассмотрим три наиболее распространенных метода минимизации.

1. Пусть будут заданы номера наборов четырех переменных, на которых логическая функция принимает единичное значение: f (2,5,6,7,10,12,13,14)=1.

Выразим эту логическую функцию в СДНФ (символ конъюнкции писать не будем):

f (0010,0101, 0110, 0111, 1010, 1100, 1101, 1110) =

.

На первом этапе минимизации исходную СДНФ можно упростить за счет использования закона склеивания, тогда получим:

.

Обращаем внимание на то, что одну и ту же конституенту (импликанту) можно склеивать с другими конституентами (импликантами) многократно, так как в логике Буля действует закон идемпотентности:

,

поэтому любую конституенту можно размножить.

На втором этапе воспользуемся таблицей Куайна (табл. 8), в соответствии с которой данный метод минимизации получил свое наименование - метод Куайна. В таблице по вертикали перечислены все полученные на первом этапе упрощения импликанты, а по горизонтали - исходные конституенты. Единица в табл. 8 стоит там, где импликанта «накрывает» конституенту. Дело в том, что конституента всегда может быть заменена импликантой или даже отдельным термом по закону поглощения:

Таблица 8

После заполнения таблицы Куайна у нас получилось так, что почти в каждой графе оказалось по две единицы; между тем достаточно иметь одну единицу в графе. Поэтому, по возможности, нужно исключить избыточные единицы. Выбор единиц производится из соображений минимальности числа термов (выбранные единицы затемнены). В итоге оказалось, что можно обойтись только тремя импликантами вместо шести:

.

С помощью таблиц истинности легко проверить, что полученная в МНФ функция воспроизводит все значения исходной функции. Отметим, что в общем случае решений по критерию минимума термов может быть несколько.

2. Не менее эффективным способом минимизации логических функций является метод сочетания индексов. Для его изложения составим табл. 9, в графах которой записаны возможные сочетания индексов. В последней графе выписаны значения функции. Анализ таблицы начинается слева по столбцам. Принцип исключения i, j_кода следующий. На пересечении i_столбца, например, с сочетанием индексов 23, и j_строки, например, 3_ей, находится код 10, что соответствует импликанте . Следовательно, в этом столбце везде, где встречается код 10, т. е. в строках 2, 3, 10 и 11, эти коды исключаются, поскольку значение функции в 3_ей строке равно нулю. Теперь возьмем столбец с сочетанием индексов 124. Здесь во 2_ой и 6_ой строках оставлены коды 010, а в 10_ой и 14_ой строках - код 011. Сделано это потому, что эти коды встречаются только на строках со значением функции, равным единице. Напротив, код 110 этого же столбца встречается как при единичных значениях функции, так и при нулевых.

Таблица 9

Итак, все коды на строках, заканчивающихся нулевыми значениями функции, исключаются автоматически. Если эти коды попадают на строки, заканчивающиеся единичным значением функции, то они также не учитываются. Остаются только те коды, которые расположены на строках с единичным значением функции (эти коды затемнены).

Далее руководствуются следующим правилом. Для того чтобы функция приняла значение, равное единице, достаточно того, чтобы только какая-нибудь одна импликанта на строке приняла единичное значение. Прежде всего, оставляем минимальную импликанту , которая перекрывает единицы в строках 2, 6, 10 и 14. Затем, естественно, обращаемся к 12_ой строке. Здесь оставляем единственный на строке код 011, что отвечает импликанте . Эта же импликанта ответственна за 13_ую строку, оканчивающуюся тоже единицей. Осталось рассмотреть 5_ую и 7_ую строки. Общей для них является импликанта: . Таким образом, тремя импликантами мы перекрыли все единичные значения функции, что совпадает с результатом, полученным на основе таблиц Куайна.

3. Существует графический способ склеивания, который получил название метод карты Карно (представлен в табл. 10). Выделяем смежные единицы, это и будут слагаемые нашей функции.

Таблица 10

- получили два слагаемых

Хотя табл. 9 более громоздка, чем табл. 8, метод сочетания индексов не считается более сложным, чем метод Куайна, если помнить, что до составления таблиц Куайна необходимо произвести многочисленные склейки конституент и импликант. Реализация на компьютере алгоритма метода сочетания индексов оказывается сравнительно простой. И напротив, внешняя простота и наглядность третьего метода минимизации логических функций с помощью карт Карно оборачивается сложной программой при реализации алгоритма на компьютере.

Таблица 11

Таблица 12

Карта Карно для четырех переменных представлена в виде табл. 11. Каждая клетка карты соответствует конституенте. Заполненная карта представлена табл. 12 (функция взята та же, что и в первых двух методах). Согласно закону склеивания, две смежные конституенты с единичными значениями всегда можно объединить для получения соответствующей импликанты. Причем смежными считаются и те, которые лежат на границах карты. Какие именно единицы требуется объединить для получения подходящей импликанты, легко определить визуально. Следует также помнить, что в соответствии с законом идемпотентности одна и та же единица табл. 12 может склеиваться с двумя или тремя смежными единицами.

Контрольные вопросы

К настоящему времени мы знакомы с двумя формами представления булевых функций: таблица истинности и формула (аналитическая запись). Рассмотрим еще две формы представления таких функций.

3.10.1 Семантические деревья

При синтезе логических схем применяют элементы с одним и несколькими входами. Условия функционирования таких элементов определяются переключательными функциями одной или нескольких переменных.

Входные и выходные сигналы логических схем зависят от времени (одни из них в некоторый момент времени равны 1, в другие моменты времени 0). Логические функции, описывающие работу таких схем, называют переменными. Используют также схемы, для которых во все моменты времени сигналы равны либо 1, либо 0. Логические функции, описывающие работу этих схем, называют постоянными.

Существует только четыре различные переключательные функции одной переменной. Как видно из таблицы 14, только две функции не зависят от переменной А (в этих случаях переменная А фиктивна).

Таблица 14

Для функции двух переменных существует шестнадцать различных переключательных функций. Как видно из таблицы 5, только десять функций существенно зависят от переменных А и В.

На рис. 6, 7 приведены обозначения элементов, реализующих некоторые переключательные функции двух переменных.

Каждой элементарной логической операции можно поставить в соответствие элементарную логическую схему или вентиль. На входе и выходе вентиля мы имеем логические сигналы двух видов, что можно ассоциировать с логическим 0 или логической 1.

1. Элемент «И» 2. Элемент «ИЛИ» 3. Элемент «НЕ»

F=x₁•x₂ F=x₁x₂ F=

Рис. 6. Символическое обозначение вентилей

а) б) в)

г) д) е)

Рис. 7. Условные обозначения переключательных функций двух переменных: а - элемент Шеффера; б - элемент Пирса; в-импликатор; г - запрет; д - равнозначность; е - сложение по модулю 2