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 {¬,} {¬,},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 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 FT 亦相互取代,所得公式 A 称为 A 的对偶式。

例题1

写出下列表达式的对偶式

(a) (PQ)R

(b) (PQ)T

(c) ¬(PQ)(P¬(Q¬S))

(a)(PQ)R(b)(PQ)F(c)¬(PQ)(P¬(Q¬S))

例题2

PQ PQ 的对偶式。

PQ¬(PQ)PQ¬(PQ)PQPQPQ

定理 1-7.1:设 AA 是对偶式,P1,P2,,Pn 是出现在 AA 中的原子变元,则

¬A(P1,P2,,Pn)A(¬P1,¬P2,,¬Pn)A(¬P1,¬P2,,¬Pn)¬A(P1,P2,,Pn)

证明 由德·摩根定律

PQ¬(¬P¬Q),PQ¬(¬P¬Q)

¬A(P1,P2,,Pn)A(¬P1,¬P2,,¬Pn)

同理

¬A(P1,P2,,Pn)A(¬P1,¬P2,,¬Pn)

例题3

A(S,W,R) ¬S(¬WR),证明

A(¬S,¬W,¬R)¬A(S,W,R)

证明 由于 A(S,W,R) ¬S(¬WR),则 A(¬S,¬W,¬R) S(W¬R)。但 A(S,W,R) ¬S(¬WR),故 ¬A(S,W,R) ¬(¬S(¬WR))S(W¬R)

所以

A(¬S,¬W,¬R)¬A(S,W,R)

定理 1-7.2:P1,P2,,Pn 是出现在公式 AB 中的所有原子变元,如果 AB,则 AB

证明 因为 AB,即

A(P1,P2,,Pn)B(P1,P2,,Pn)

是一个重言式,故

A(¬P1,¬P2,,¬Pn)B(¬P1,¬P2,,¬Pn)

也是一个重言式。即

A(¬P1,¬P2,,¬Pn)B(¬P1,¬P2,,¬Pn)

定理 1-7.1

¬A(P1,P2,,Pn)¬B(P1,P2,,Pn)

因此

AB

例题4

如果 A(P,Q,R) P(Q¬(RP)),求它的对偶式 A(P,Q,R)。并求与 AA 等价,但又仅包含联结词“”、“”及“¬”的公式。

A(P,Q,R)P(Q¬(RP))A(P,Q,R)P(Q¬(RP))P(Q¬(RP))¬(P(Q(RP)))P(Q¬(RP))¬(P(Q(RP)))

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:

A1A2An,(n1)

其中 A1,A2,,An 都是由命题变元或其否定所组成的析取式。

例如 (P¬QR)(¬PQ)¬Q 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:

A1A2An,(n1)

其中 A1,A2,,An 都是由命题变元或其否定所组成的合取式。

例如 ¬P(PQ)(P¬QR) 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 ¬

(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

(P(QR))S 的合取范式。

(P(QR))S(P(¬QR))S¬(P(¬QR))S¬P(Q¬R)S(¬PS)(Q¬R)(¬PSR)(¬PS¬R)

例题6

¬(PQ)(PQ) 的析取范式。

(AB)(AB)(¬A¬B)¬(PQ)(PQ)(¬(PQ)(PQ))((PQ)¬(PQ))(¬P¬QPQ)((PQ)(¬P¬Q))(¬P¬QPQ)(P¬P)(Q¬P)(P¬Q)(Q¬Q)

一个命题公式的合取范式或析取范式并不是唯一的。例如 P(QR) 是一个析取范式,但它亦可以写成

P(QR)(PQ)(PR)(PP)(PR)(QP)(QR)

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:n 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 PQ,其小项为: PQ P¬Q ¬PQ ¬P¬Q

三个命题变元 PQR,其小项为: PQR PQ¬R P¬QR P¬Q¬R ¬PQR ¬PQ¬R ¬P¬QR ¬P¬Q¬R

一般来说,n 个命题变元共有 2n 个小项。

表 1-7.1 列出两个变元 PQ 及其小项的真值表。

表 1-7.1

PQ PQ P¬Q ¬PQ ¬P¬Q
TTTFFF
TFFTFF
FTFFTF
FFFFFT

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 PQ 的一组真值指派,使得该小项的真值为 T

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 n 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。

PQR 为三个命题变元,其真值 TF 分别记为“1”和“0”,则小项的真值表如 表 1-7.2 所示。

表 1-7.2

PQR ¬P¬Q¬R ¬P¬QR ¬PQ¬R ¬PQR
0001000
0010100
0100010
0110001
1000000
1010000
1100000
1110000
PQR P¬Q¬R P¬QR PQ¬R PQR
0000000
0010000
0100000
0110000
1001000
1010100
1100010
1110001
m000=¬P¬Q¬Rm100=P¬Q¬Rm001=¬P¬QRm101=P¬QRm010=¬PQ¬Rm110=PQ¬Rm011=¬PQRm111=PQR

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 T,在其余 2n1 种指派情况下均为 F

(2) 任意两个不同小项的合取式永假。例如

m001m100=(¬P¬QR)(P¬Q¬R)¬PP¬QR¬RF

(3) 全体小项的析取式永为真,记为:

i=02n1mi=m0m1m2n1T

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 T 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 A,其真值为 T 的指派所对应的小项为 m1,m2,,mk,这些小项的析取式记为 B,为此要证 AB,即要证 AB 在相应指派下具有 相同真值。

首先对 AT 的某一指派,其对应的小项为 mi,则因为 miT,而 m1,m2,,mi1,mi+1,,mk 均为 F,故 BT

其次,对 AF 的某一指派,其对应的小项不包含在 B 中,即 m1,m2,,mk 均为 F,故 BF。因此, AB


例题7

给定 PQ PQ ¬(PQ),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

PQ(¬P¬Q)(¬PQ)(PQ)PQ(¬PQ)(P¬Q)(PQ)¬(PQ)(¬P¬Q)(¬PQ)(P¬Q)

表 1-7.3

PQ PQ PQ ¬(PQ)
TTTTF
TFFTT
FTTTT
FFTFT

例题8

设一公式 A 的真值表如 表 1-7.4 所示。

表 1-7.4

PQRA
TTTT
TTFF
TFTF
TFFT
FTTF
FTFF
FFTF
FFFT

求公式 A 的主析取范式。

AA(PQR)(P¬Q¬R)(¬P¬Q¬R)

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

(PQ)(¬PR)(QR) 的主析取范式。

(PQ(R¬R))(¬PR(Q¬Q))(QR(P¬P))(PQR)(PQ¬R)(¬PRQ)(¬PR¬Q)

例题10

试求 P((PQ)¬(¬Q¬P)) 的主析取范式。

P((PQ)¬(¬Q¬P))¬P((¬PQ)(QP))¬P((¬PQP)(QQP))¬P(¬PQP)(QP)¬P(QP)(¬P(Q¬R))(QP)(¬PQ)(¬P¬Q)(PQ)

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 (P¬P) 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:n 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

PQ,P¬Q,¬PQ,¬P¬Q

又如

PQR,PQ¬R,,¬P¬QR

每个大项可用 n 位二进制予以编码:

n==2

M00=PQ,M01=P¬QM10=¬PQ,M11=¬P¬Q

n==3

M000=PQR,M100=¬PQRM001=PQ¬R,M101=¬PQ¬RM010=P¬QR,M110=¬P¬QRM011=P¬Q¬R,M111=¬P¬Q¬R

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 F,在其余 2n1 种指派情况下均为 T

(2) 任意两个不同大项的析取式为永真。

MiMjT(ij)

(3) 全体大项的合取式必为永假,记为:

t=02n1Mi=M0M1M2n1F

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 F 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 (PQ)(¬PR) 的主合取范式与析取范式。

解 公式 (PQ)(¬PR) 的真值表如 表 1-7.5 所示。

表 1-7.5

PQR PQ ¬PR (PQ)(¬PR)
TTTTFT
TTFTFT
TFTFFF
TFFFFF
FTTFTT
FTFFFF
FFTFTT
FFFFFF

故主合取范式为:

(PQ)(¬PR)(¬PQ¬R)(¬PQR)(P¬QR)(PQR)

主析取范式为:

(PQ)(¬PR)(PQR)(PQ¬R)(¬PQR)(¬P¬QR)

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 (P¬P) 式,然后,应用分配律展开公式。

例题12

(PQ)(¬PR) 的主合取范式。

(PQ)(¬PR)((PQ)¬P)((PQ)R)(P¬P)(Q¬P)(PR)(QR)(Q¬P)(PR)(QR)(Q¬P(R¬R))(PR(Q¬Q))(QR(P¬P))(Q¬PR)(QP¬R)(PRQ)(PR¬Q)(QRP)(QR¬P)(¬PQR)(¬PQ¬R)(P¬QR)(PQR)

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,i,j,k 即表示 mimjmk;用 表示大项的合取,i,j,k 表示 MiMjMk,由这样的约定,例题11 可以表达为:

(PQ)(¬PR)m001m011m110m111=1,3,6,7(PQ)(¬PR)M000M010M100M101=0,2,4,5

可以证明,如果命题公式 P 的主析取范式为:

i1,i2,,ik

P 的主合取范式为:

0,1,2,,i11,i1+1,,ik1,ik+1,,2n1