Информатика

Урок 2: Логические операции

Логические операции

Люди постоянно используют логику в жизни и работе. Простые рассуждения, логические операции или таблицы истинности – все это помогает принимать решения, находить правильные ответы, создавать цепочки и схемы взаимосвязей. А применение универсальных инструментов позволяет работать только над чистыми данными, их связями, без использования лишней информации.

Обложка урока взята с источника.

План урока:

Алгебра логики и решение задач

Основные операции

Сравнение операций, первоочередность

Диаграммы Эйлера-Венна

Законы алгебры логики

Электросхемы и таблицы истинности

 

Универсальный подход помогает решать разнотипные задачи, даже не вникая в условие детально. Именно для этого нужны логические задачи и универсальные способы решения. Существует множество подходов, но наиболее распространены 3 основных:

  • Способ рассуждений.
  • Табличный способ.
  • Решение при помощи средств логики.

Первый позволяет находить правильный ответ, обдумывая каждый пункт задачи, делая выводы из каждого условия. Этим методом мы пользуемся постоянно, в обычной жизни, решая простые бытовые примеры. Он простой, но для сложных задач не подходит.

Табличный метод сокращает форму записи примера и позволяет перебрать все возможные значения исходных данных, анализируя результат, полученный при каждой комбинации. Это очень наглядно, компактно и позволяет использовать обычные слова или же логические обозначения.

Поиск правильного решения средствами логики выводит решение примеров на новый уровень, позволяя абстрагироваться от лишней информации, выделяя только переменные, их взаимосвязи. Это позволяет решать задачи из любой сферы, не вникая в те данные, которые не важны для самого решения. Логическая основа задачи – своеобразный «скелет», а вся сопутствующая информация – «одежда».

 

Алгебра логики и решение задач

Несмотря на то, что логика, как наука о размышлении, существовала еще 5 в. До н.э., теперь это важная часть многих наук, а не только философии и риторики. Также логика существует, как отдельная наука уже более 200 лет.

Инструменты алгебры логики позволяют переводить словесные высказывания в сухие, объективные выражения, а с их помощью выполнять различные логические операции.Появился этот раздел математики 200 лет назад.

Стоит остановиться на базовых понятиях алгебры логики:

  • константы (0,1);
  • переменные;
  • формула;
  • знаки операций;
  • скобки.

Логическая переменная – обозначение логического выражения, которое может быть true (t, правда, истина, да, 1) – false (f, ложь, нет, 0).

Формула– символьный способ выражения операции между переменными при помощи специальных знаков и скобок ().

Логическое высказывание – утверждение, в котором говорится только правда или только ложь.

Образец таких предложений: «Луна – вертится вокруг Марса» – ложно, а «После зимы всегда приходит весна» – истинно.

Частицы «не», «или», если», «и» и другие, которые являются связующими элементами в обычной речи, позволяют создавать элементарные логические выражения.

Элементарные высказывания – те, к которым нельзя применить понятие истинности или ложности. Их обозначают различными символами (латинские буквы, цифры), знаками. Ими занимаются те сферы, к которым они относятся. Они входят в состав высказываний логики.

Из одних высказываний можно образовывать другие, в результате получая составные высказывания. И от того, являются исходные элементы составного конечного высказывания правдивыми или неправдивыми, а также какие логические связки использовались, будет правдой или ложью все высказывание в целом.

Чтобы образовать такое составное предложение в обычной жизни, используют связки И, ИЛИ, НЕ. А научный подход заменил их на конъюнкцию, дизъюнкцию, инверсию и более сложные операции. Все эти процессы выражают словесно, таблично (таблицы истинности) или графически (диаграммы Эйлера-Венна).

Простые выражения содержат лишь одно выражение (правдивое или нет), и не содержит никаких логических операций.

Сложные могут содержать от 2 и больше аргументов (простых выражений), которые между собой связаны логическими операциями.

Еще используют понятие «предикат» – содержит любое количество переменных без перечисления всех составляющих данных. Это предикат простых, отрицательных P(x)=(x<0) чисел.

Чтобы исключить лишнюю информацию, оставив только логические связи, используют таблицы истинности, наглядно демонстрирующие, правдиво или неправдиво конечное предложение, если учесть все значения входящих в его состав простейших частей.

Такая форма оформления и решения задач используется в построении электросхем, для решения различных логических задач, в булевой алгебре, программировании.

 

Основные операции

Количество логических операций, которыми обычно оперирует логика 6:

  • Отрицание.
  • Умножение.
  • Сложение
  • Следование.
  • Дизъюнкция.
  • Равнозначность.

Остановимся на каждом из них детальнее, выясним как правильно они называются в алгебре логики, есть ли у них аналоги в обычной речи, в математике, и как их можно использовать в обычной жизни.

 

Отрицание или инверсия

Операция отрицания или НЕлогическое, корректнее будет название инверсия.Конечное высказывание будет противоположным первоначальному (исходному). Применяется для одного выражения, которое может быть как сложным, так и элементарным.

На примере этой простейшей операции удобно показывать, насколько лаконичны и информативны таблицы истинности. Обозначим исходное высказывание буквой А, соответственно, окончательное будет не А (или НЕ, ‾, ˥ not А). А их ложность или правдивость напишем при помощи цифр 0 и 1.

1 logicheskie operacii

Получается, если исходное значение правда, то новое будет ложь, и наоборот.

 

Умножение или конъюнкция &

Логическое И или умножение еще называют конъюнкцией. Финальное высказывание будет правдивым, только если его составляющие тоже правдивы. Во всех остальных случаях оно будет ложным. Применяется для двух и более аргументов, элементарных или сложных. Обозначение А и В; А ^ В; А &В; A and В.

Как видно, при помощи таблицы истинности из 15 ячеек можно описать то, на описание чего при помощи слов пришлось бы потратить минимум 5 полноценных предложений.

2 logicheskie operacii

Логическое И в обычной жизни:

  • Хорошая певица должна быть талантливой и упорной (наличие только одного качества не позволит проявить миру свой талант).
  • По условиям задачи А – число меньше 30, В – число делиться на 3. Нужно найти решение А ˄ В.

Решение: Первое множество содержит числа 1,2,3….29. Второе – 3,6,9,…27. Решением будет множество на пересечении множеств А и В, что хорошо покажут диаграммы Эйлера-Венна. А ˄ В будет истинным для множества чисел 3,6,9,….27.

 

Сложение или дизъюнкция V

Логическое ИЛИ, сложение по-другому называют дизъюнкцией. Оно истинно всегда, кроме случая, если ложны все составные высказывания. Функция распространяется на простые и сложные исходные аргументы. Обозначение А или В; A v В; А ог В.

3 logicheskie operacii

В обычной жизни нас окружает логическое ИЛИ:

  • «Чтобы сдать тесты на «отлично», нужно старательно готовиться ИЛИ должно повезти с билетом».
  • Есть задача с 2-мя условиями: А – число делится на 5, В – число делится на 2.

Решение: Первое множество чисел включает в себя 5, 10, 15…Второе – 10, 20, 30…Решение, при котором истинно Аv В – совокупность обеих множеств (5, 10, 15, 20, 25, 30…).

 

Следование или импликация

Для этого случая важно значение каждого выражения и даже его очередность, потому что первый аргумент считается условием, второй – следствием. Импликация будет ложной лишь в одном случае – если первое составляющее правдиво, а второе нет.

4 logicheskie operacii

Такое логическое следование имеет аналог в обычной речи «если.. то», то есть одно событие зависит от другого. Символьно связи выражают следующим образом:

5 logicheskie operacii

Логическое следование в обычной жизни:

  • Если пойти к врачу, можно выздороветь (но можно выздороветь и без похода к врачу, а можно и после визита в больницу не выздороветь).
  • По условию задачи, А – если число делится на 10, то В делится на 5.

Строгая дизъюнкция

Такая логическая операция выдаст истину, если любое из составляющих высказываний будет истинным, независимо очередности.

6 logicheskie operacii

Это пример исключающей функции. Аналог в словесном выражении – «либо». Разница от простой дизъюнкции в том, что конечное выражение будет истинным, только если будет правдой одна переменная.

7 logicheskie operacii

 

Эквиваленция или равнозначность 

Операция, выдающая истину в случае, если обе исходные переменные истины или неправдивы.Обозначают А ~В, А В.

8 logicheskie operacii

Словесная аналогия – «тогда и только тогда, когда», математическая – «необходимо и достаточно». Если сравнить таблицы истинности для предыдущих операций, очевидно, что она противоположна «исключающему ИЛИ», то ее можно посчитать так:

9 logicheskie operacii

Пример эквивалентности из обычной жизни:

  • Если вечером на горизонте солнце темно-красного цвета, значит, завтра будет ветреный день.
  • В задаче 2 условия: А – сумма цифр числа равно 9, В – число делится на 9. АВ означает, что число делится на 9, если сумма цифр равна 9.

 

Сравнение операций, первоочередность

Приведены результаты основных логических функций для 2-х переменных:

10 logicheskie operacii

Если выражение громоздкое, состоящее из нескольких основных, анализ выполняют по приоритетности функций, по очереди написания, от начала:

11 logicheskie operacii

Но скобки делают операцию внутри них самой приоритетной.

 

Законы алгебры логики

Операции логики подчиняются законам, которые во многом напоминают математические законы. Другими словами, операции обладают определенными свойствами, которые упрощают решение и позволяют преобразовывать одни операции в другие.

Таблица законов алгебры логики

12 logicheskie operacii

 

Диаграммы Эйлера-Венна

Тем, кто лучше воспринимает информацию в виде изображений, понравятся диаграммы Эйлера-Венна, которые показывают, как пересекаются множества между собой.

Число пересечений (областей) можно посчитать сразу, оно равно n = 2N, где N – число множеств. Так как значение двойки в степени растет очень быстро (4,8,16), обычно диаграммы используют для 2-3 множеств. Далее области пересечения будут сливаться, образуя неразличимые участки. Если множеств 2-3, то рисуют круги, если больше 4 – эллипсы. Этот «цветок» помещают в прямоугольную конструкцию, которую называют универсум U (универсальное множество).

13 logicheskie operacii
Источник

14 logicheskie operacii
Источник

Диаграммы позволяют наглядно увидеть результат большинства логических функций:

Конъюнкция множеств А и В:

15 logicheskie operacii

Отрицание Ā:

16 logicheskie operacii

Сложное выражение (Ā)∨(A∧B), составленное из элементарных Ā, A∧B и их комбинации, графическое выражение:

17 logicheskie operacii

 

Примеры использования диаграмм Эйлера-Венна

Пример №1:

Есть 2 множества цифр и универсум:

А={4,5,6,7}

В={6,7,8,9}

U={0,4,5,6,7,8,9}

 Пустой области ничего не принадлежит, опишем в табличном виде, какие цифры какой области принадлежит:

18 logicheskie operacii

 

Электросхемы и таблицы истинности

При помощи «0» и «1» можно обозначить, светится ли лампочка, идет ли ток при параллельном или последовательном соединении проводов. Это настолько удобно, что у разных логических функций есть стандартные обозначения при построении электрических схем:

19 logicheskie operacii

Переменными являются переключатели, а результат (горит лампа/идет ток) будет «1» – истина или «0» – ложь.

Для конъюнкции и инверсии подходит последовательное соединение, но во втором случае переключатель один, для дизъюнкции – параллельное.

20 logicheskie operacii


Это примеры простейших электросхем. Понимание простейших логических взаимосвязей, умение быстро строить и анализировать электроцепи позволяет строить, паять более сложные, многоуровневые схемы. Для автоматизации применяют различные программы, самый простой вариант – таблицы Excel.

21 logicheskie operacii

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Наука, изучающая мышление и существующая как отдельная наука и как составляющие других наук:
1Логика
2Математика
3Философия
Ответить
1
Вопрос: 2
Истинность обозначают при помощи:
1«1»
2«+»
3«да»
Ответить
1
Вопрос: 3
Выберите выражение, к которому можно применить понятие «истинности»:
1Киото находится в Корее
23+8=12-2
3IIX=8
Ответить
3
Вопрос: 4
Логическое «И» – это:
1сложение
2умножение
3следование
Ответить
2
Вопрос: 5
Логическое «ИЛИ» – это:
1конъюнкция
2дизъюнкция
3эквиваленция
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Наука, изучающая мышление и существующая как отдельная наука и как составляющие других наук:
1) Логика 2) Математика 3) Философия
2 вопрос:

Истинность обозначают при помощи:
1) «1» 2) «+» 3) «да»
3 вопрос:

Выберите выражение, к которому можно применить понятие «истинности»:
1) Киото находится в Корее 2) 3+8=12-2 3) IIX=8
4 вопрос:

Логическое «И» – это:
1) сложение 2) умножение 3) следование
5 вопрос:

Логическое «ИЛИ» – это:
1) конъюнкция 2) дизъюнкция 3) эквиваленция
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Логика
2 вопрос: «1»
3 вопрос: IIX=8
4 вопрос: умножение
5 вопрос: дизъюнкция