1-7 对偶与范式
从上节可看到倒是公式的最小联结词组为 或 ,但实际上为了使用方便,命题公式常常同时包含 。我们从 表 1-4.8 可以看到命题定律除对合律外都是成对出现的,其不同的只是 和 互换。我们把这样的公式称作具有 对偶规律。
定义 1-7.1:在给定的命题公式中,将联结词 换成 ,将 换成 ,若有特殊变元 和 亦相互取代,所得公式 称为 的对偶式。
例题1
写出下列表达式的对偶式
(a)
(b)
(c)
例题2
求 , 的对偶式。
定理 1-7.1:设 和 是对偶式, 是出现在 和 中的原子变元,则
证明 由德·摩根定律
故
同理
例题3
设 是 ,证明
证明 由于 是 ,则 是 。但 是 ,故 是 。
所以
定理 1-7.2:设 是出现在公式 和 中的所有原子变元,如果 ,则 。
证明 因为 ,即
是一个重言式,故
也是一个重言式。即
由 定理 1-7.1 得
因此
例题4
如果 是 ,求它的对偶式 。并求与 及 等价,但又仅包含联结词“”、“”及“”的公式。
定义 1-7.2:一个命题公式称为合取范式,当且仅当它具有型式:
其中 都是由命题变元或其否定所组成的析取式。
例如 是一个合取范式。
定义 1-7.3:一个命题公式称为析取范式,当且仅当它具有型式:
其中 都是由命题变元或其否定所组成的合取式。
例如 是析取范式。
任何一个命题公式,求它的合取范式或析取范式,可以通过下面三个步骤进行:
(1) 将公式中的联结词化归成 , 及 。
(2) 利用德·摩根律将否定符号 直接移到各个命题变元之前。
(3) 利用分配律、结合律将公式归约为合取范式或析取范式。
例题5
求 的合取范式。
例题6
求 的析取范式。
一个命题公式的合取范式或析取范式并不是唯一的。例如 是一个析取范式,但它亦可以写成
为了使任意一个命题公式,化成唯一的等价命题的标准形式,下面介绍主范式的有关概念。
定义 1-7.4: 个命题变元的合取式,称作布尔合取或小项,其中每个变元与它的否定不能同时存在,但两者必须出现且仅出现一次。
例如,两个命题变元 和 ,其小项为: , , , 。
三个命题变元 、、,其小项为: , , , , , , , 。
一般来说, 个命题变元共有 个小项。
表 1-7.1 列出两个变元 和 及其小项的真值表。
表 1-7.1
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从这个真值表中可以看到,没有两个小项是等价的,且每个小项都只对应 和 的一组真值指派,使得该小项的真值为 。
这个结论可以推广到三个以上的变元情况,并且由此可以作出一种编码,使 个变元的小项可以很快地写出来。现按三个变元为例说明如下。
设 、、 为三个命题变元,其真值 和 分别记为“”和“”,则小项的真值表如 表 1-7.2 所示。
表 1-7.2
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小项有如下几个性质:
(1) 每一个小项当其真值指派与编码相同时,其真值为 ,在其余 种指派情况下均为 。
(2) 任意两个不同小项的合取式永假。例如
(3) 全体小项的析取式永为真,记为:
定义 1-7.5:对于给定的命题公式,如果有一个等价公式,它仅由小项的析取所组成,则该等价式称作原式的主析取范式。
定理 1-7.3:在真值表中,一个公式的真值为 的指派所对应的小项的析取,即为此公式的主析取范式。
证明 设给定公式为 ,其真值为 的指派所对应的小项为 ,这些小项的析取式记为 ,为此要证 ,即要证 与 在相应指派下具有 相同真值。
首先对 为 的某一指派,其对应的小项为 ,则因为 为 ,而 均为 ,故 为 。
其次,对 为 的某一指派,其对应的小项不包含在 中,即 均为 ,故 为 。因此, 。
例题7
给定 , 和 ,求这些公式的主析取范式。
解 三公式的真值表如 表 1-7.3 所示。故
表 1-7.3
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例题8
设一公式 的真值表如 表 1-7.4 所示。
表 1-7.4
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求公式 的主析取范式。
除了用真值表方法外,也可利用等价公式构成主析取范式。
例题9
求 的主析取范式。
例题10
试求 的主析取范式。
由上述各例我们看到,一个命题公式的主析取范式,可由两种方法构成。一是由公式的真值表得出,另一是由基本等价公式推出。其推演步骤可归纳为:
(1) 化归为析取范式。
(2) 除去析取范式中所有永假的析取项。
(3) 将析取式中重复出现的合取项和相同的变元合并。
(4) 对合取项补入没有出现的命题变元,即添加 式,然后,应用分配律展开公式。
对于一个命题公式的主析取范式,如将其命题变元的个数及出现次序固定后,则此公式的主析取范式便是唯一的,因此,给定任两个公式,由主析取范式可以方便地看出两个公式是否等价。
与主析取范式类似的是主合取范式。
定义 1-7.6: 个命题变元的析取式,称作布尔析取或大项。其中每个变元与它的否定不能同时存在,但两者必须出现且仅出现一次。例如
又如
每个大项可用 位二进制予以编码:
若
若
大项有如下性质:
(1) 每个大项当其真值指派与编码相同时,其真值为 ,在其余 种指派情况下均为 。
(2) 任意两个不同大项的析取式为永真。
(3) 全体大项的合取式必为永假,记为:
定义 1-7.7:对于给定的命题公式,如果有一个等价公式,它仅由大项的合取所组成,则该等价式称作原式的主合取范式。
定理 1-7.4:在真值表中,一个公式的真值为 的指派所对应的大项的合取,即为此公式的主合取范式。
例题11
利用真值表技术求 的主合取范式与析取范式。
解 公式 的真值表如 表 1-7.5 所示。
表 1-7.5
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故主合取范式为:
主析取范式为:
一个公式的主合取范式,亦可用基本等价式推出,其推演步骤为:
(1) 化归为合取范式。
(2) 除去合取范式中所有永为真的合取项。
(3) 合并相同的析取项和相同的变元。
(4) 对析取项补入没有出现的命题变元,即添加 式,然后,应用分配律展开公式。
例题12
化 的主合取范式。
为了吏主析取范式和主合取范式表达简洁,我们今后用 表示小项的析取, 即表示 ;用 表示大项的合取, 表示 ,由这样的约定,例题11 可以表达为:
可以证明,如果命题公式 的主析取范式为:
则 的主合取范式为: