Дизъюнктивная и конъюнктивная совершенные нормальные формы
Для всякой логической формулы с помощью тождественных преобразований можно построить бесконечно много равносильных ей формул. В алгебре логики одной из основных задач является поиск канонических форм (т. е. формул, построенных по единому правилу, канону).
Если логическая функция выражена через дизъюнкцию, конъюнкцию и отрицание переменных, то такая форма представления называется нормальной.
Среди нормальных форм выделяются совершенные нормальные формы (такие формы, в которых функции записываются единственным образом).
Совершенная дизъюнктивная нормальная форма (СДНФ)
Определение. Формулу называют элементарной конъюнкцией, если она образованна конъюнкцией некоторого числа переменных или их отрицаний.
Примеры: y, ¬ y, х1 ∧ ¬ х2 ∧ х3 ∧ х4
Определение. Формула называтся дизъюнктивной нормальной формой (ДНФ), если она является дизъюнкцией неповторяющихся элементарных конъюнкций.
ДНФ записывается в следующей форме: F1 ∨ F2 ∨ ... ∨ Fn, где Fi - элементарная конъюнкция
Примеры: ¬ х1 ∧ х2 ∨ х1 ∧ ¬ х2 ∨ х1 ∧ ¬ х2 ∧ х3, ¬ y1 ∨ y1 ∧ y2 ∨ ¬ y2
Определение. Логическая формула от k переменных называется совершенной дизъюнктивной нормальной формой (СДНФ), если:
1) формула является ДНФ, в которой каждая элементарная конъюнкция есть конъюнкция k переменных х1, х2, …, хk, причем на i-м месте этой конъюнкции стоит либо переменная хi, либо ее отрицание;
2) все элементарные конъюнкции в такой ДНФ попарно различны.
Пример: (¬ х1 ∧ х2 ∧ х3) ∨ (х1 ∧ ¬ х2 ∧ х3) ∨ (х1 ∧ х2 ∧ ¬ х3)
Совершенная конъюнктивная нормальная форма (СКНФ)
Определение. Формулу называют элементарной дизъюнкцией, если она образована дизъюнкцией некоторого числа переменных или их отрицаний.
Примеры: ¬ х3, х1 ∨ х2, х1 ∨ х2 ∨ ¬ х3
Определение. Формула называется конъюнктивной нормальной формой (КНФ), если она является конъюнкцией неповторяющихся элементарных дизъюнкций.
КНФ записывается в следующей форме: F1 ∧ F2 ∧ ... ∧ Fn, где Fi - элементарная дизъюнкция
Примеры: (х1 ∨ ¬ х2) ∧ х3, (х1 ∨ х2) ∧ ( ¬ х1 ∨ х2 ∨ х3) ∧ ( х1 ∨ ¬ х2 ∨ ¬ х3)
Определение. Логическая формула от k переменных называется совершенной конъюнктивной нормальной формой (КДНФ), если:
1) формула является КНФ, в которой каждая элементарная дизъюнкция есть дизъюнкция k переменных х1, х2, …, хk, причем на i-м месте этой дизъюнкции стоит либо переменная хi, либо ее отрицание;
2) все элементарные дизъюнкции в такой КНФ попарно различны.
Пример: (х1 ∨ х2 ∨ х3) ∧ ( ¬ х1 ∨ ¬ х2 ∨ х3)
Заметим, что любую логическую функцию, не равную тождественно 0 или 1, можно представить в виде СДНФ или СКНФ.
Алгоритм построения СДНФ по таблице истинности
- Выбрать все строки таблицы, в которых значение функции равно единице.
- Для каждой такой строки записать конъюнкцию всех переменных следующим образом: если значение некоторой переменной в этом наборе равно 1, то в конъюнкцию включаем саму переменную, в противном случае — ее отрицание.
- Все полученные конъюнкции связываем операциями дизъюнкции.
Алгоритм построения СКНФ по таблице истинности
- Выбрать все строки таблицы, в которых значение функции равно нулю.
- Для каждой такой строки записать дизъюнкцию всех переменных следующим образом: если значение некоторой переменной в этом наборе равно 0, то в конъюнкцию включаем саму переменную, в противном случае — ее отрицание.
- Все полученные дизъюнкции связываем операциями конъюнкции.
Анализ алгоритмов показывает, что если на большей части строк таблицы истинности значение функции равно 0, то для получения ее логической формулы лучше построить СДНФ, в противном случае - СКНФ.
Пример: Дана таблица истинности логической функции от трех переменных. Построить логическую формулу, реализующую эту функцию.
| x | y | z | F (x, y, z) |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 |
Т.к. на большинстве строк таблицы истинности значение функции равно 1, то построим СКНФ. В результате получим следующую логическую формулу:
F = (¬ x ∨ y ∨ z) ∧ (¬ x ∨ y ∨ ¬ z)
Проверим полученную формулу. Для этого построим таблицу истинности функции.
| x | y | z | ¬ x | ¬ x ∨ y ∨ z | ¬ z | ¬ x ∨ y ∨ ¬ z | F (x, y, z) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
Сравнив исходную таблицу истинности и построенную для логической формулы, заметим, что столбцы значений функции совпадают. Значит, логическая функция построена верно.