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布尔代数


布尔代数是一种数学结构,它类似于布尔环,但它是使用运算符而不是通常的加法和乘法运算符来定义的。明确地说,布尔代数是由包含定义的子集上的偏序(Skiena 1990,p. 207),即,集合A的布尔代数b(A)是集合A的子集,可以通过有限次集合运算并集)、交集)和补集)获得(Comtet 1974,p. 185)。布尔代数也构成一个(Skiena 1990,p. 170),并且b(A)的每个元素都被称为布尔函数。在阶为n的布尔代数中,有2^(2^n)布尔函数(Comtet 1974,p. 186)。

1938年,香农证明了一个二值布尔代数(其成员最常表示为0和1,或假和真)可以描述二值电气开关电路的运行。在现代,布尔代数和布尔函数因此在计算机芯片和集成电路的设计中是不可或缺的。

BooleanAlgebras

布尔代数具有递归结构,在上面为阶为n=2、3、4和5的布尔代数绘制的哈斯图中显而易见。这些图说明了格的左右两半之间的划分,每一半都是在n-1个元素上的布尔代数(Skiena 1990,pp. 169-170)。阶为n的布尔代数的哈斯图被实现为BooleanAlgebra[n] 在 Wolfram 语言 包中Combinatorica`。它与n-超立方体图同构。

布尔代数可以正式定义为一个集合B,其中元素为ab,... 具有以下属性

1. B 有两个二元运算 ^ (逻辑,或“合取”)和 v (逻辑,或“析取”),它们满足幂等

 a ^ a=a v a=a,
(1)

交换

a ^ b=b ^ a
(2)
a v b=b v a,
(3)

结合

a ^ (b ^ c)=(a ^ b) ^ c
(4)
a v (b v c)=(a v b) v c.
(5)

2. 这些运算满足吸收律

 a ^ (a v b)=a v (a ^ b)=a.
(6)

3. 这些运算是相互分配的

a ^ (b v c)=(a ^ b) v (a ^ c)
(7)
a v (b ^ c)=(a v b) ^ (a v c).
(8)

4. B 包含普遍边界emptyset空集)和I全集),它们满足

emptyset ^ a=emptyset
(9)
emptyset v a=a
(10)
I ^ a=a
(11)
I v a=I.
(12)

5. B 有一个一元运算a->a^',即取补运算,它服从以下定律

a ^ a^'=emptyset
(13)
a v a^'=I
(14)

(Birkhoff 和 Mac Lane 1996)。

在(Bell 1986,p. 444)略显陈旧的术语中,布尔代数可以定义为一个集合B,其中元素为ab,... 带有二元运算符 v (或+;逻辑)和 ^ (或·;逻辑),使得

1a. 如果ab在集合B中,那么a v b在集合B中。

1b. 如果ab在集合B中,那么a ^ b在集合B中。

2a. 存在一个元素Z(零),使得对于每个元素aa v Z=a

2b. 存在一个元素U(单位),使得对于每个元素aa ^ U=a

3a. a v b=b v a

3b. a ^ b=b ^ a

4a. a v b ^ c=(a v b) ^ (a v c)

4b. a ^ (b v c)=(a ^ b) v (a ^ c)

5. 对于每个元素a,存在一个元素a^',使得a v a^'=Ua ^ a^'=Z

6. 集合B中至少有两个不同的元素。

亨廷顿(Huntington,1933ab)提出了以下布尔代数的基础

1. 交换律:x v y=y v x

2. 结合律:(x v y) v z=x v (y v z)

3. 亨廷顿公理!(!x v y) v !(!x v !y)=x

然后,H. 罗宾斯推测亨廷顿公理可以用更简单的罗宾斯公理代替,

 !(!(x v y) v !(x v !y))=x.
(15)

由交换律、结合律和罗宾斯公理定义的代数称为罗宾斯代数。计算机定理证明表明,每个罗宾斯代数都满足第二个温克勒条件,由此立即得出所有罗宾斯代数都是布尔代数(McCune,Kolata 1996)。


另请参阅

布尔函数布尔值亨廷顿公理超立方体图极大理想定理罗宾斯代数罗宾斯公理温克勒条件沃尔夫勒姆公理 在 MathWorld 课堂中探索此主题

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参考文献

贝尔,E. T. 数学精英。纽约:西蒙与舒斯特出版社,1986年。伯克霍夫,G. 和麦克莱恩,S. 现代代数概论,第5版。纽约:麦克米伦出版社,第317页,1996年。孔泰特,L. “子集系统生成的布尔代数”。§4.4 在高级组合数学:有限与无限展开的艺术,修订扩充版。多德雷赫特,荷兰:赖德尔出版社,第185-189页,1974年。哈尔莫斯,P. 布尔代数讲义。普林斯顿,新泽西州:范诺斯特兰出版社,1963年。亨廷顿,E. V. “逻辑代数的新独立假设集”。美国数学学会汇刊 35, 274-304, 1933a.亨廷顿,E. V. “布尔代数:更正”。美国数学学会汇刊 35, 557-558, 1933b.科拉塔,G. “计算机数学证明显示了推理能力”。纽约时报,1996年12月10日。麦克昆,W. “罗宾斯代数是布尔代数”。http://www.cs.unm.edu/~mccune/papers/robbins/.门德尔松,E. 布尔代数和开关电路导论。纽约:麦格劳-希尔出版社,1973年。西科尔斯基,R. 布尔代数,第3版。纽约:施普林格出版社,1969年。斯基纳,S. 实现离散数学:使用 Mathematica 的组合数学和图论。雷丁,马萨诸塞州:艾迪生-韦斯利出版社,1990年。 威尔斯,C. F. “布尔表达式操作”。http://library.wolfram.com/infocenter/MathSource/4187/.怀特西特,J. E. 布尔代数及其应用。纽约:多佛出版社,1995年。沃尔夫勒姆,S. 一种新科学。香槟,伊利诺伊州:沃尔夫勒姆媒体出版社,第 1168 页,2002年。

在 Wolfram|Alpha 中被引用

布尔代数

请引用本文为

韦斯坦,埃里克·W. “布尔代数”。来自 MathWorld——一个 Wolfram 网络资源。https://mathworld.net.cn/BooleanAlgebra.html

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