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 .

Разложение Шеннона Рассмотрим разложение булевой функции f (x 1, x 2, . . . , xn) по переменной xi. Разложение Шеннона: f (x 1, x 2, . . . , xn)= xi f(x 1, . . . , xi 1, 1, xi+1, . . . , xn) xi f(x 1, . . . , xi 1, 0, xi+1, . . . , xn). Доказательство (не умоляя общности, для i =1). Если x 1 = 0, то f(0, x 2, . . . , xn) = 0 f (1, x 2, . . . , xn) 1 f(0, x 2, . . . , xn) = f (0, x 2, . . . , xn). Если x 1 = 1, то f(1, x 2, . . . , xn) = 1 f(1, x 2, . . . , xn) 0 f(1, x 2, . . . , xn) = f(0, x 2, . . . , xn). ЧТД Пример. Булеву функцию f (x, y, z) = x y / y z , разложим по переменной z: f (x, y, z) = z(x y / y 1) z (x y / y 0)= [по свойствам 0 и 1] = z z (x y / y). Сомножитель f (x 1, . . . , xi -1, 1, xi+1, . . . , xn) в формуле Шеннона называется коэффициентом разложения функции f (x 1, x 2, . . . , xn) по переменной xi при xi, а сомножитель f (x 1, . . . , xi -1, 0, xi+1, . . . , xn) - коэффициентом разложения функции f (x 1, x 2, . . . , xn) по xi при xi. Пример. f (x, y, z) = x y / y = y (x 1 / 0) y (x 0 / 1). x 1 / 0 - коэффициент разложения функции f (x, y, z) по y при y ; x 0 / 1 - коэффициент разложения функции f (x, y, z) по y при y.

Разложение функции по k переменным Доказательство. Подставим в левую и правую части равенства произвольный набор a 1 a 2. . . an: Упростим правую часть, рассуждая следующим образом. Нетрудно проверить, что 1, если и только если ai = 0 = 1, 11 = 1, но 0 1 = 0 и 10 = 0), ci (в самом деле: 0 поэтому конъюнкция равна единице лишь в единственном случае, когда наборы a 1 a 2. . . ak и с1 с2. . . сk совпадают. А это значит, что она не обращает в ноль лишь одно слагаемое правой части - то, для которого a 1 a 2. . . ak = с1 с2. . . сk и в котором сама обращается в единицу. Подставив в ставшееся слагаемое a 1 a 2. . . ak вместо с1 с2. . . сk , получим

Совершенная дизъюнктивная нормальная форма (Сов. ДНФ) Применив формулу разложения булевой функции f (x 1, x 2, . . . , xn) по k переменным при k = n, получим: Поскольку коэффициентами разложения f (c 1, c 2, . . . , cn) в этой формуле являются значения функции f (x 1, x 2, . . . , xn) на всевозможных наборах c 1 c 2. . . cn, то возможны два случая: если набор c 1 c 2. . . cn M 0 (f), то f (c 1, c 2, . . . , cn) = 0 и поэтому обращается в 0 соответствующее слагаемое правой части; если набор c 1 c 2. . . cn M 1 (f), то f(c 1, c 2, . . . , cn)=1 и слагаемое упрощается. В результате имеем: Совершенная дизъюнктивная нормальная форма булевой функции, или Сов. ДНФ, - это формула вида:

Утверждение о единственности Сов. ДНФ Любая булева функция, кроме константы 0, представима cовершенной дизъюнктивной нормальной формой, и она единственна для данной функции. Алгоритм построения Сов. ДНФ (по таблице истинности) вытекает из определения Сов. ДНФ и состоит в циклическом выполнении следующего шага: в векторе столбце значений функции выбирается очередная 1 и по набору значений аргументов этой строки формируется конъюнкция всех аргументов с соблюдением следующего правила: если i‑я компонента набора равна 0, то переменная xi входит в конъюнкцию в степени 0 (с инверсией), иначе в степени 1 (без инверсии); полученная конъюнкция добавляется в формулу как очередное слагаемое. Пример. Обратим внимание на тот факт, что нам впервые удалось от табличного способа задания функции перейти к формульному!

Утверждение о единственности Сов. КНФ Любая булева функция, кроме константы 1, представима cовершенной конъюнктивной нормальной формой, и она единственна для данной функции. Алгоритм построения Сов. КНФ по таблице истинности вытекает из определения Сов. КНФ и состоит в циклическом выполнении следующего шага: в векторе столбце значений функции выбирается очередной 0 и по набору значений аргументов этой строки формируется дизъюнкция всех аргументов с соблюдением следующего правила: если i‑я компонента набора равна 0, то переменная xi входит в дизъюнкцию в степени 1 (без инверсии), иначе в степени 0 (с инверсией); полученная дизъюнкция добавляется в Сов. КНФ как очередной сомножитель. Пример.

Элементарная конъюнкция и ДНФ Рассмотрим множество переменных x 1, x 2, . . . , xn. Элементарной конъюнкцией назовем конъюнкцию, в которую каждая переменная входит не более одного раза (с инверсией или без инверсии). Примеры. x 1 x 2 x 3 x 4, x 1 x 2 x 4 , x 3 - элементарные конъюнкции, x 1 x 2 x 4, x 1 x 3 - неэлементарные. В частности, 1 - это элементарная конъюнкция, не содержащая ни одной переменной. Число переменных, образующих элементарную конъюнкцию, назовем ее рангом. Пример. Ранг элементарной конъюнкции x 1 x 2 x 4 равен трем. Полной конъюнкцией назовем элементарную конъюнкцию, состоящую из всех переменных, т. е. конъюнкцию ранга n. Пример. При n = 4 конъюнкция x 1 x 2 x 3 x 4 - полная. Дизъюнктивной нормальной формой (ДНФ) назовем дизъюнкцию различных элементарных конъюнкций. Пример. x 1 x 2 x 4 x 1 x 2 x 3 x 4 x 3 - ДНФ. Очевидно, что совершенная ДНФ является частным случаем ДНФ. Длиной ДНФ назовем число конъюнкций в данной ДНФ. Рангом ДНФ назовем сумму рангов ее конъюнкций. Пример. Длина ДНФ из предыдущего примера равна трем, а ранг - восьми.

Множество В, на котором определены две бинарные операции (конъюнкция и дизъюнкция) и одна унарная операция (отрицание) и выделены два элемента 0 и 1 называется булевой алгеброй.

Причем для этих операций необходимо выполнение следующих свойств:

Ассоциативность

Коммутативность

Дистрибутивность конъюнкции относительно дизъюнкции

Дистрибутивность дизъюнкции относительно конъюнкции

Идемпотентность

Двойное отрицание

Свойства констант

Правила де Моргана

Закон противоречия

Закон исключенного третьего

В алгебре логики эти законы называются равносильностями.

Совершенные нормальные формы

Совершенная дизъюнктивная нормальная форма

Введем обозначения:

; А А =1; Х А =1, если Х=А, Х А =0, если ХА.

Формула Х А 1…… Х А n , где А=- какой-либо двоичный набор, а среди переменных Хi могут быть совпадающие называется элементарной конъюнкцией.

Всякая дизъюнкция элементарных конъюнкций называется дизъюнктивной нормальной формой (ДНФ).

Элементарная конъюнкция называется правильной, если в нее каждая переменная входит не более одного раза (включая ее вхождение под знаком отрицания).

Например: 1) (значок конъюнкции в данном случае опущен).

1),4) - правильные элементарные конъюнкции;

2)- переменная х входит один раз сама и второй раз под знаком отрицания;

Переменная y входит трижды: один раз сама и два раза под знаком отрицания.

Правильная элементарная конъюнкция называется полной относительно переменных х 1 …..х n , если в нее входит каждая их этих переменных причем только один раз (может быть и пол знаком отрицания).

Например: из перечисленных в предыдущем примере конъюнкций полной является только 4) относительно переменных x,y,z,t; а относительно переменных x,y,z полной является только 1).

Совершенной дизъюнктивной нормальной формой (СДНФ) относительно переменных х 1 …..х n называется дизъюнктивная нормальная форма, в которой нет одинаковых элементарных конъюнкций и все элементарные конъюнкции правильны и полны относительно переменных х 1 …..х n

Разложение по переменным

Теорема 1. Всякая логическая функция может быть представлена в СДНФ:

где m, а дизъюнкция берется по всем 2 m наборам значений переменных х 1 ,…х m . Функция f разложена по первым n-переменным. Данное равенство называется разложением по переменным. х 1 ,…х m . Например при n=4, m=2 разложение имеет вид:

теорема доказывается подстановкой в обе части равенства (1) произвольного набора (b 1 ,…,b m , b m+1 ,…,b n) всех n-переменных.

При m = 1 из (1) получаем разложение функции по одной переменной:

Очевидно, что аналогичное разложение справедливо для любой из n- переменных.

Другой важный случай когда n=m. При этом все переменные в правой части (1) получают фиксированные значения и функции в конъюнкции правой части становятся равными 0 или 1, что дает:

где дизъюнкция берется по всем наборам (b 1 …b n), на которых f=1. При f=0 множество конъюнкций в правой части пусто. Такое разложение называется совершенной дизъюнктивной нормальной формой. СДНФ функции f содержит ровно столько конъюнкций, сколько единиц получается в таблице истинности f. Каждому единичному набору (b 1 ,…, b n) соответствует конъюнкция всех переменных, в которой x i взято с отрицанием, если b i =0 b ,и без отрицания, если, b i =1. Таким образом существует взаимно однозначное соответствие между таблицей истинности функции f и ее СДНФ, и,следовательно, СДНФ для всякой логической функции единственна. Единственная функция не имеющая СДНФ - это константа 0.

Теорема 2 . Всякая логическая функция может быть представлена в виде булевой формулы.

Действительно, для всякой функции, кроме константы 0, таким представлением может служит ее СДНФ. Константу 0 можно представить булевой формулой.

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 . Например, 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) может быть представлена в следующей форме:

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

Это представление носит название разложения функции по переменным . Например, 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.

Поэтому . В качестве следствия из разложения (3.1) получаем следующие два специальных разложения.

Разложение по переменной x n:

Если булева функция не есть константа 0, то справедливо разложение

Разложение по всем переменным:

, (3.3)

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

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

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

Таким образом, 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 может быть представлена в следующей форме:

где 1≤k≤n, а конъюнкция берется по всем 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.

Поэтому = = .

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 все строки , в которых . Для каждой такой строки образуем дизъюнкцию и затем все полученные конъюнкции соединяем знаком конъюнкции. Таким образом, 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 называется дизъюнктивной нормальной формой (ДНФ).

В силу приведенного определения ДНФ будут, например, выражения: , .

Как отмечено в пункте 2.2, все 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 называется конъюнктивной нормальной формой (КНФ).

Такими являются, например, 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 всех 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) все конъюнкции попарно различны;

2) каждая конъюнкция содержит ровно n переменных;

3) в каждой конъюнкции встречаются все 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) все дизъюнкции попарно различны;

2) каждая дизъюнкция содержит ровно n членов;

3) в каждой дизъюнкции встречаются все n переменных., если она при всех значениях входящих в нее переменных принимает значение истинно .

Примерами тождественно истинных формул являются формулы:

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

Примерами тождественно ложных формул являются формулы:

Формула алгебры логики называется выполнимой , 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 выяснить, 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.