Математическая логика или Булева алгебра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Математическая логика или Булева алгебра

Работу выполнил:

Владислав Коряк

Организатор работы:

Гимельфарб Валентина Георгиевна

г. Орск, 2015 год

Содержание

алгебра умозаключение математический

1. Определение логики

2. Математика и логика. Джордж Буль

3. Булева алгебра

4. Использование алгебры высказываний в современной информатике

1. Определение логики

В современном мире мы все чаще используем разнообразные машины и гаджеты. И не только тогда, когда необходимо применить буквально нечеловеческую силу: переместить груз, поднять его на высоту, вырыть длинную и глубокую траншею и т. д. Автомобили сегодня собирают роботы, еду готовят мультиварки, а элементарные арифметические расчеты производят калькуляторы. Все чаще мы слышим выражение «булева алгебра». Пожалуй, пришло время разобраться в роли человека в создании роботов и умении машин решать не только математические, но и логические задачи.

Среди задач, для решения которых привлекают компьютер, немало таких, которые принято называть логическими. Все знают шуточную задачу о перевозке козла, волка и капусты с одного берега на другой. В этой задаче властвует не арифметика, а умение логически рассуждать. Человек прибегает к логике, когда составляет расписания, распутывает противоречивые показания или составляет инструкции. В логических задачах исходными данными являются не только и не столько числа, а сложные логические суждения, подчас весьма запутанные. Эти суждения и связи между ними бывают иногда столь противоречивы, что для их разрешения привлекают вычислительные машины. Так что же такое логика?

В переводе с греческого логика - это упорядоченная система мышления, которая создает взаимосвязи между заданными условиями и позволяет делать умозаключения, основываясь на предпосылках и предположениях. Довольно часто мы спрашиваем друг друга: «Логично?» Полученный ответ подтверждает наши предположения либо критикует ход мысли. Но процесс не останавливается: мы продолжаем рассуждать. Порой количество условий (вводных) настолько велико, а взаимосвязи между ними столь запутанны и сложны, что человеческий мозг не в состоянии «переварить» все сразу. Может понадобиться не один месяц (неделя, год) для понимания происходящего. Но современная жизнь не дает нам таких временных интервалов на принятие решений. И мы прибегаем к помощи компьютеров. И вот тут-то и появляется алгебра логики, со своими законами и свойствами. Загрузив все исходные данные, мы позволяем компьютеру распознать все взаимосвязи, исключить противоречия и найти удовлетворительное решение.

Одна из главных задач логики - определить, как прийти к выводу из предпосылок. Логика служит базовым инструментом почти любой науки. Основателем логики считают Сократа.

2. Математика и логика. Джордж Буль

Известнейший Готфрид Вильгельм Лейбниц сформулировал понятие «математическая логика», задачи которой были доступны для понимания только узкому кругу ученых. Особого интереса это направление не вызывало, и до середины XIX века о математической логике знали немногие.

Позднее из логики стала выделяться самостоятельная часть - математическая логика, изучающая основания математики и принципы построения математических теорий.

Математическая логика - логика умозаключений, использующая математические методы. У истоков математической логики стоял великий Лейбниц. В момент возникновения эта наука была умозрительной, доступной только узкому кругу ученых. Так было до того момента, когда в XIX веке англичанин Джордж Буль пошел на спор, что создаст науку, совершенно оторванную от действительности и не имеющую ни малейшего практического применения. Он превратил математическую логику в алгебру суждений. Джордж Буль (1815-1864) - английский математик. Родился в семье рабочего. Первые уроки математики получил у отца. В 12 лет знал латынь, затем овладел греческим, французским, немецким и итальянским языками. В 16 лет уже преподавал в деревенской школе, а в 20 открыл собственную школу в Линкольне. В редкие часы досуга зачитывался математическими журналами Механического института, интересовался работами Ньютона, Лапласа, Лагранжа.

Начиная с 1839 года, Буль стал посылать свои работы в новый Кембриджский математический журнал. В своем исследовании 1844 года, опубликованном в «Философских трудах Королевского общества», он коснулся проблемы взаимодействия алгебры и исчисления. В том же году молодой ученый был награжден медалью Королевского общества за вклад в математический анализ. Вскоре, после того как Буль убедился, что его алгебра вполне применима к логике, в 1847 году он опубликовал памфлет «Математический анализ логики», в котором высказал идею, что логика более близка к математике, чем к философии. Эта работа была высоко оценена английским математиком Огастесом (Августустом) Де Морганом. Благодаря этой работе Буль в 1849 году получил пост профессора математики Куинз-колледжа в графстве Корк, несмотря на то, что он даже не имел университетского образования. В 1854 году опубликовал работу «Исследование законов мышления, базирующихся на математической логике и теории вероятностей». Работы 1847 и 1854 годов положили начало алгебре логики. В своей работе «Законы мышления» (1854 г.) Буль окончательно сформулировал основы математической логики. В 1857 году Буль был избран членом Лондонского Королевского общества.

Его работы «Трактат о дифференциальных уравнениях» (1859 г.) и «Трактат о вычислении предельных разностей» (1860 г.) оказали колоссальное влияние на развитие математики. В них нашли свое отражение наиболее важные открытия Буля. Сегодня идеи Буля используются во всех современных цифровых устройствах. Большой интерес в научных сообществах вызвал спор, в котором англичанин Джордж Буль заявил о своем намерении создать раздел математики, не имеющий абсолютно никакого практического применения. Как мы помним из истории, в это время активно развивалось промышленное производство, разрабатывались всевозможные вспомогательные машины и станки, т. е. все научные открытия имели практическую направленность. Забегая вперед, скажем, что булева алгебра - самая используемая в современном мире часть математики. Так что спор свой Буль проиграл.

3. Булева алгебра

Буль произвел такую научную революцию, о которой сам не подозревал. То, во что он превратил логику, было в дальнейшем положено в основу построения электронно-вычислительных устройств. История показала, что спор Булем был проигран. Из всей логики именно Булева алгебра получила самое большое практическое применение в технике.

Безусловно, для программирования важны функции алгебры логики, которые записываются соответствующими знаками и символами. И выучить их - это значит освоить новый иностранный язык. Нет ничего невозможного.

Основные понятия и определения.

Не вдаваясь в глубины, разберемся с терминологией. Итак, булева алгебра предполагает наличие высказываний; логических операций; функций и законов. Высказывания - любые утвердительные выражения, которые не могут быть истолкованы двузначно. Они записываются в виде чисел (5 > 3) или формулируются привычными словами (слон - самое большое млекопитающее). При этом фраза «у жирафа нет шеи» также имеет право на существование, только булева алгебра определит её как «ложь».

Все высказывания должны носить однозначный характер, но они могут быть элементарными и составными. Последние используют логические связки. Т. е. в алгебре суждений составные высказывания образуются сложением элементарных посредством логических операций.

Операции булевой алгебры.

Мы уже помним, что операции в алгебре суждений - логические. Подобно тому, как алгебра чисел использует арифметические операции для сложения, вычитания или сравнения чисел, элементы математической логики позволяют составить сложные высказывания, дать отрицание или вычислить конечный результат. Логические операции для формализации и простоты записываются формулами, привычными для нас в арифметике. Свойства булевой алгебры дают возможность записывать уравнения и вычислять неизвестные. Логические операции обычно записывают с помощью таблицы истинности. Её столбцы определяют элементы вычислений и операцию, которая над ними производится, а строки показывают результат вычислений.

Основные логические действия.

Самыми распространенными в булевой алгебре операциями являются отрицание (НЕ) и логические И и ИЛИ. Так можно описать практически все действия в алгебре суждений. Изучим подробнее каждую из трех операций. Отрицание (не) применяется только к одному элементу (операнду). Поэтому операцию отрицания называют унарной. Для записи понятия «не А» используют такие символы: ¬A, AЇЇЇ или !A. Для функции отрицания характерно такое утверждение: если А истинно, то A - ложно. Например, Луна вращается вокруг Земли - истина; Земля вращается вокруг Луны - ложь.

Логические умножение и сложение.

Логическое И называют операцией конъюнкции. Что это значит? Во-первых, что применить ее можно к двум операндам, т. е. И - бинарная операция. Во-вторых, что только в случае истинности обоих операндов (и А, и Б) истинно и само выражение. Пословица «Терпение и труд все перетрут» предполагает, что только оба фактора помогут человеку справиться со сложностями. Для записи используются символы: A?Б, A?Б или A&&Б.

Конъюнкция аналогична умножению в арифметике. Иногда так и говорят - логическое умножение. Если перемножить элементы таблицы по строкам, мы получим результат, аналогичный логическому размышлению. Дизъюнкцией называют операцию логического ИЛИ. Она принимает значение истинности тогда, когда хотя бы одно из высказываний истинно (или А, или Б). Записывается это так: A?Б, A+Б или A||Б. Дизъюнкция подобна арифметическому сложению. Операция логического сложения имеет только одно ограничение: 1+1=1. Но мы же помним, что в цифровом формате математическая логика ограничена 0 и 1 (где 1 - истина, 0 - ложь). Например, утверждение «в музее можно увидеть шедевр или встретить интересного собеседника» означает, что можно посмотреть произведения искусства, а можно познакомиться с интересным человеком. В то же время, не исключен вариант одновременного свершения обоих событий.

Функции и законы.

Итак, мы уже знаем, какие логические операции использует булева алгебра. Функции описывают все свойства элементов математической логики и позволяют упрощать сложные составные условия задач. Самым понятным и простым кажется свойство отказа от производных операций. Под производными понимаются исключающее ИЛИ, импликация и эквивалентность. Поскольку мы ознакомились только с основными операциями, то и свойства рассмотрим тоже только их. Ассоциативность означает, что в высказываниях типа «и А, и Б, и В» последовательность перечисления операндов не играет роли. Формулой это запишется так:

(А8Б)8В=А8(Б8В)=А8Б8В

(А7Б)7В=А7(Б7В)=А7Б7В

Как видим, это свойственно не только конъюнкции, но и дизъюнкции. Коммутативность утверждает, что результат конъюнкции или дизъюнкции не зависит от того, какой элемент рассматривался вначале:

А8Б=Б8А; А7Б=Б7А

Дистрибутивность позволяет раскрывать скобки в сложных логических выражениях. Правила схожи с раскрытием скобок при умножении и сложении в алгебре:

А8(Б7В)=А8Б7А8В; А7Б8В=(А7Б)8(А7В)

Свойства единицы и нуля, которые могут быть одним из операндов, также аналогичны алгебраическим умножению на ноль или единицу и сложению с единицей:

А80=0, А81=А; А70=А, А71=1

Идемпотентность говорит нам о том, что если относительно двух равных операндов результат операции оказывается аналогичным, то можно «выбросить» лишние усложняющие ход рассуждений операнды. И конъюнкция, и дизъюнкция являются идемпотентными операциями.

Б8Б=Б; Б7Б=Б

Поглощение также позволяет нам упрощать уравнения. Поглощение утверждает, что когда к выражению с одним операндом применяется другая операция с этим же элементом, результатом оказывается операнд из поглощающей операции.

А8Б7Б=Б; (А7Б)8Б=Б

Последовательность операций.

Последовательность операций имеет немаловажное значение. Собственно, как и для алгебры, существует приоритетность функций, которые использует булева алгебра. Формулы могут упрощаться только при условии соблюдения значимости операций. Ранжируя от самых значимых до незначительных, получим такую последовательность:

Отрицание.

Конъюнкция.

Дизъюнкция, исключающее ИЛИ.

Импликация, эквивалентность.

Как видим, только отрицание и конъюнкция не имеют равных приоритетов. А приоритет дизъюнкции и исключающего ИЛИ равны, также как и приоритеты импликации и эквивалентности.

Функции импликации и эквивалентности.

Как мы уже говорили, помимо основных логических операций математическая логика и теория алгоритмов использует производные. Чаще всего применяются импликация и эквивалентность. Импликация, или логическое следование - это высказывание, в котором одно действие является условием, а другое - следствием его выполнения. Иными словами, это предложение с предлогами «если... то». «Любишь кататься, люби и саночки возить». Т. е. для катания необходимо затянуть санки на горку. Если же нет желания съехать с горы, то и санки таскать не приходится. Эквивалентность предполагает, что результирующее действие наступает только в том случае, когда истиной являются оба операнда. Например, ночь сменяется днем тогда (и только тогда), когда солнце встает из-за горизонта.

Другие законы булевой алгебры.

Алгебра суждений развивается, и многие заинтересовавшиеся ученые сформулировали новые законы. Наиболее известными считаются постулаты шотландского математика О. де Моргана. Он заметил и дал определение таким свойствам, как тесное отрицание, дополнение и двойное отрицание. Тесное отрицание предполагает, что перед скобкой нет ни одного отрицания: не (А или Б) = не А или НЕ Б. Когда операнд отрицается, независимо от своего значения, говорят о дополнении:

Б8¬Б=0; Б7¬Б=1

И, наконец, двойное отрицание само себя компенсирует. Т.е. перед операндом либо исчезает отрицание, либо остается только одно.

Как решать тесты.

Математическая логика подразумевает упрощение заданных уравнений. Так же, как и в алгебре, необходимо сначала максимально облегчить условие (избавиться от сложных вводных и операций с ними), а затем приступить к поиску верного ответа. Что же сделать для упрощения? Преобразовать все производные операции в простые. Затем раскрыть все скобки (или наоборот, вынести за скобки, чтобы сократить этот элемент). Следующим действием должно стать применение свойств булевой алгебры на практике (поглощение, свойства нуля и единицы и т. д). В конечном итоге уравнение должно состоять из минимального количества неизвестных, объединенных простыми операциями. Легче всего искать решение, если добиться большого количества тесных отрицаний. Тогда ответ всплывет как бы сам собой.

4. Использование алгебры высказываний в современной информатике

В современной электронике употребляются в основном двоичные элементы памяти, состояние которых представляет собой булеву величину. Иными словами, элемент памяти способен запомнить всего лишь один бит информации. При необходимости запоминания большего количества информации используется составная память (запоминающее устройство), состоящая из некоторого множества элементов. В реальных условиях это множество, разумеется, всегда конечно, хотя в теоретических исследованиях бывает удобно рассматривать и бесконечную память (по крайней мере, потенциально). В простейшем случае множество элементов памяти организуется в так называемый регистр, т. е. в (конечную) линейно упорядоченную последовательность элементов, называемых разрядами (ячейками) регистра. Разряды нумеруются последовательными натуральными числами 1, 2, ..., п. Число п этих разрядов называется длиной регистра.

Состояния в отдельных разрядов составляют (булев) вектор о, называемый состоянием регистра. Входные и выходные сигналы отдельных разрядов рассматриваемого регистра (также предполагаемые булевыми) составляют соответственно входной х и выходной у (векторные) сигналы данного регистра.

Заметим еще раз, что в подавляющем большинстве случаев у = а. Обычная последовательностная схема, называемая также конечным автоматом, составляется из регистра памяти и двух комбинационных схем. Условность подобного представления заключается, прежде всего, в том, что в схеме с чисто двоичными сигналами нельзя переключить сигнал и на один из выходов, а на других выходах де иметь ничего (это был бы третий вид сигнала, отличный как от 0, так и от 1). Кроме того, в подавляющем большинстве случаев схемы нецелесообразно строить отдельно одну от Другой, так как при этом, вообще говоря, возрастает общее число используемых логических элементов. Однако эти условности не меняют главного -- сделанных оценок для числа различных комбинационных схем, реализуемых конечным автоматом. Кроме того, при некоторых реализациях двоичных сигналов (например, импульсами различной полярности) в электронных схемах естественным образом реализуется и третий вид сигнала, а именно, отсутствие каких-либо импульсов. В этом случае предложенная интерпретация фактически теряет свою условность и может быть реализована практически.

Размещено на Allbest.ru