Урок 31
Логические основы построения компьютера

Изучив эту тему, вы узнаете:

- что изучает алгебра логики;
- какие операции возможны над высказываниями;
- как составляется таблица истинности;
- каким законам подчиняются логические выражения;
- что такое логические элементы компьютера.

Основные понятия алгебры логики

В предыдущих темах вы познакомились с устройством компьютера и узнали, что процессор выполняет арифметические и логические операции над двоичными кодами. Поэтому для получения представления об устройстве компьютера необходимо познакомиться с основными логическими элементами, лежащими в основе его построения. Для понимания принципа работы таких элементов начнем это знакомство с основных начальных понятий алгебры логики. Прежде всего, начнем с разбора названия самого предмета, а именно выясним, каково назначение алгебры, логики, а затем алгебры логики.

Алгебра — это раздел математики, предназначенный для описания действий над переменными величинами, которые принято обозначать строчными латинскими буквами, например а, b, х, у и т. д. Действия над переменными величинами записываются в виде математических выражений. Обобщенное представление о сути содержания алгебры, изучаемой в школе, с позиций объектного подхода представим в виде таблицы 23.1.

Термин "логика" происходит от древнегреческого logos, означающего «слово, мысль, понятие, рассуждение, закон».

Алгеброй логики называется аппарат, который позволяет выполнять действия над высказываниями.

Высказывание - это предложение, относительно которого имеет смысл говорить истино оно или ложно.

Таблица 23.1. Что изучает школьная алгебра

В естественных языках высказывания выражаются повествовательными предложениями. Высказывания могут быть представлены с помощью математических, химических и прочих знаков. Следующие предложения, например, являются высказываниями:

Но не все выражения можно назвать высказываниями. В таблице 23.2 приведены примеры выражений, которые не являются высказываниями.

Алгебру логики называют также алгеброй Буля, или булевой алгеброй, по имени английского математика Джорджа Буля, разработавшего в XIX веке ее основные положения. В булевой алгебре высказывания принято обозначать прописными латинскими буквами: А, В, X, У. В алгебре Буля введены три основные логические операции с высказываниями: сложение, умножение, отрицание. Определены аксиомы (законы) алгебры логики для выполнения этих операций. Действия, которые производятся над высказываниями, записываются в виде логических выражений.

Обобщенное содержание предмета «алгебра логики» приведено в таблице 23.3.

Таблица 23.2. Выражения, не являющиеся высказываниями

Таблица 23.3. Что изучает алгебра логики

Алгебра логики рассматривает высказывания не с точки зрения их содержания, а с точки зрения их истинности или ложности. И в этом смысле можно сказать, что высказывание может принимать только два значения — ИСТИНА (обозначим 1) и ЛОЖЬ (обозначим 0).

Логические выражения и логические операции

Общее представление

Логические выражения могут быть простыми и сложными.

Простое логическое выражение состоит из одного высказывания и не содержит логические операции. В простом логическом выражении возможно только два результата — либо «истина», либо «ложь».

Сложное логическое выражение содержит высказывания, объединенные логическими операциями. По аналогии с понятием функции в алгебре сложное логическое выражение содержит аргументы, которыми являются высказывания.

В качестве основных логических операций в сложных логических выражениях используются следующие:

- НЕ (логическое отрицание, инверсия);
- ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция);
- И (логическое умножение, конъюнкция).

Логическое отрицание является одноместной операцией, так как в ней участвует одно высказывание. Логическое сложение и умножение — двуместные операции, в них участвует два высказывания. Существуют и другие операции, например операции следования и эквивалентности, правило работы которых можно вывести на основании основных операций.

Все операции алгебры логики определяются таблицами истинности значений. Таблица истинности определяет результат выполнения операции для всех возможных логических значений исходных высказываний. Количество вариантов, отражающих результат применения операций, будет зависеть от количества высказываний в логическом выражении, например:
- таблица истинности одноместной логической операции состоит из двух строк: два различных значения аргумента — «истина» (1) и «ложь» (0) и два соответствующих им значения функции;
- в таблице истинности двуместной логической операции — четыре строки: 4 различных сочетания значений аргументов — 00, 01, 10 и 11 и 4 соответствующих им значения функции;
- если число высказываний в логическом выражении N, то таблица истинности будет содержать 2^N строк, так как существует 2^N различных комбинаций возможных значений аргументов.

Операция НЕ — логическое отрицание (инверсия)

Логическая операция НЕ применяется к одному аргументу, в качестве которого может быть и простое, и сложное логическое выражение. Результатом операции НЕ является следующее:

- если исходное выражение истинно, то результат его отрицания будет ложным;
- если исходное выражение ложно, то результат его отрицания будет истинным.

Для операции отрицания НЕ приняты следующие условные обозначения: ; not А. Результат операции отрицания НЕ определяется следующей таблицей истинности:

Результат операции отрицания истинен, когда исходное высказывание ложно, и наоборот.

Приведем примеры отрицания.

1. Высказывание «Земля вращается вокруг Солнца» истинно. Высказывание «Земля не вращается вокруг Солнца» ложно.

2. Высказывание «Пушкин — гениальный русский поэт» истинно. Высказывание «Пушкин — не гениальный русский поэт» ложно.

3. Высказывание «Уравнение у = 4х + 3 в промежутке -2 ≤ х ≤ 2 не имеет корня» ложно. Высказывание «Уравнение у = 4х + 3 в промежутке -2 ≤ х ≤ 2 имеет корень» истинно.

4. Высказывание «4 — простое число» ложно. Высказывание «4 — не простое число» истинно.

5. Принцип работы переключателя настольной лампы таков: если лампа горела, переключатель выключает ее, если лампа не горела — включает ее. Такой переключатель можно считать электрическим аналогом операции отрицания.

Операция ИЛИ — логическое сложение (дизъюнкция, объединение)

Логическая операция ИЛИ выполняет функцию объединения двух высказываний, в качестве которых может быть и простое, и сложное логическое выражение. Высказывания, являющиеся исходными для логической операции, называют аргументами.

Результатом операции ИЛИ является выражение, которое будет истинным тогда и только тогда, когда истинно будет хотя бы одно из исходных выражений. Результат операции ИЛИ определяется следующей таблицей истинности:

Применяемые обозначения: А или В; A ∨ В; A or В. При выполнении сложных логических преобразований для наглядности условимся пользоваться обозначением А + В, где А, В — аргументы (исходные высказывания). О том, что это логическое сложение, говорят прописные буквы в обозначении высказываний.

Результат операции ИЛИ истинен, когда истинно А, либо истинно В, либо истинно и А и В одновременно, и ложен тогда, когда аргументы А и В — ложны.

Приведем примеры логического сложения.

1. Рассмотрим высказывание «В библиотеке можно взять книгу или встретить знакомого». Это высказывание формально можно представить так: С = A ∨ В, где высказывание А — «В библиотеке можно взять книгу», а В — «В библиотеке можно встретить знакомого». Объединение этих высказываний при помощи операции логического сложения означает, что события могут произойти как отдельно, так и одновременно.

2. Рассмотрим высказывание «Знания или везение — залог сдачи экзаменов». Успешно сдать экзамен может тот, кто все знает, или тот, кому повезло (например, вытянут единственный выученный билет), или тот, кто все знает и при этом выбрал «хороший» билет.

3. Кто хоть однажды использовал елочную гирлянду с параллельным соединением лампочек, знает, что гирлянда будет светить до тех пор, пока цела хотя бы одна лампочка. Логическая операция ИЛИ чрезвычайно схожа с работой подобной гирлянды, ведь результат операции ложь только в одном случае — когда все аргументы ложны.

Операция И — логическое умножение (конъюнкция)

Логическая операция И выполняет функцию пересечения двух высказываний (аргументов), в качестве которых может быть и простое, и сложное логическое выражение.

Результатом операции И является выражение, которое будет истинным тогда и только тогда, когда истинны оба исходных выражения. Результат операции И определяется следующей таблицей истинности:

Применяемые обозначения: А и В; А ∧ В; А & В; A and В.

Условимся пользоваться при выполнении сложных логических преобразований обозначением А • В, где А, В — аргументы (исходные высказывания). О том, что это логическое умножение, говорят прописные буквы в обозначении высказываний.

Результат операции И истинен тогда и только тогда, когда истинны одновременно высказывания А и В, и ложен во всех остальных случаях.

Приведем примеры логического умножения.

1. Рассмотрим высказывание «Учитель должен быть умным и справедливым». Это высказывание формально можно представить так: С = А ∧ В, где высказывание А — «Учитель должен быть умным», а В — «Учитель должен быть справедливым». Объединение этих высказываний при помощи операции логического умножения означает, что учитель должен быть одновременно и умным, и справедливым.

2. Рассмотрим высказывание «Умение и настойчивость приводят к достижению цели». Достижение цели возможно только при одновременной истинности двух предпосылок — умения и настойчивости. выражения. Результат операции И определяется следующей таблицей истинности:

3. Логическую операцию И можно сравнить с последовательным соединением лампочек в гирлянде. При наличии хотя бы одной неработающей лампочки электрическая цепь оказывается разомкнутой, то есть гирлянда не работает. Ток протекает только при одном условии — все составляющие цепи должны быть исправны.

Операция «ЕСЛИ-TO» — логическое следование (импликация)

Эта операция связывает два простых логических выражения, из которых первое является условием, а второе — следствием из этого условия.

Применяемые обозначения:

если А, то В; А влечет В; if A then В; А —> В.

Таблица истинности:

Результат операции следования (импликации) ложен только тогда, когда предпосылка А истинна, а заключение В (следствии) ложно.

Приведем примеры операции следования.

1. Рассмотрим высказывание «Если идет дождь, то на улице сыро». Здесь исходные высказывания «Идет дождь» и «На улице сыро». Если не идет дождь и не сыро на улице, результат операции следования — истина. На улице может быть сыро и без дождя, например, когда прошла поливочная маши¬на или дождь прошел накануне. Результат операции ложен только тогда, когда дождь идет, а на улице не сыро.

2. Рассмотрим два высказывания: А {х делится на 9}, В {х делится на 3}. Операция А —> В означает следующее: «Если число делится на 9, то оно делится и на 3». Рассмотрим возможные варианты:

Операция «А тогда и только тогда, когда В» (эквивалентность, равнозначность)

Применяемое обозначение: А ~ В.

Таблица истинности:

Результат операции эквивалентность истинен только тогда, когда А и В одновременно истинны или одновременно ложны.

Приведем примеры операции эквивалентности.

1. «День сменяет ночь тогда и только тогда, когда солнце скрывается за горизонтом»;

2. «Добиться результата в спорте можно тогда и только тогда, когда приложено максимум усилий».

Составление таблиц истинности по логической формуле

Из простых высказываний могут быть составлены более сложные высказывания. Эти высказывания подобны математическим формулам. В них, кроме высказываний, обозначаемых прописными латинскими буквами, и знаков логических операций могут присутствовать и скобки. Как и в алгебре, скобки ставятся тогда, когда нужно изменить приоритет выполнения логических операций и изменить порядок действий. Приоритет выполнения логических операций следующий: инверсия, конъюнкция, дизъюнкция.

С помощью таблиц истинности можно проверить истинность любых сложных высказываний.

При составлении таблиц истинности можно, как и в математике, применять простые правила-подсказки:

1) дизъюнкция — это логическое сложение. Значит, если среди слагаемых есть хотя бы одно истина (1), то результат не может быть ложным, то есть результат истина (1):

А + 1 = 1.

2) конъюнкция — логическое умножение. Значит, если среди сомножителей есть хотя бы один ложный (0), то результат ложь (0):

А • 0 = 0.

Рассмотрим примеры.

1. Дано логическое выражение А • . Требуется построить таблицу истинности. Выражение содержит две операции: отрицание и конъюнкцию.

По правилам приоритетного выполнения операций сначала следует определить отрицание для всех возможных значений, которые может принимать . Затем можно применить операцию конъюнкции для полученных значений с высказыванием А.

Построим таблицу истинности (таблица 23.4). Сначала заполним столбцы значениями для аргументов А и В. Затем заполним столбец значениями В. Результат заданного логического выражения отражен в последнем столбце.

Таблица 23.4. Таблица истинности для примера 1

2. Дано логическое выражение (А + ) • С. Требуется построить таблицу истинности.

Логическое выражение содержит три высказывания А, В, С.

Значит, таблица истинности будет содержать 2³ = 8 строк возможных сочетаний значений исходных высказываний (аргументов) А, В и С. Первые три столбца таблицы истинности будут заполнены различными сочетаниями значений аргументов. Далее будут располагаться результаты промежуточных вычислений и конечный результат (см. таблицу 23.5).

Таблица 23.5. Таблица истинности для примера 2