Лекции - Дискретная математика - файл n2.doc

Лекции - Дискретная математика
скачать (55.8 kb.)
Доступные файлы (1):
n2.doc255kb.17.10.2008 16:40скачать

n2.doc

1   2   3   4   5   6

Лекция 6

Метод Квайна – Мак-Клоски для нахождения минимальной ДНФ



Этот метод удобен для нахождения минимальной ДНФ функции от любого числа переменных.

Определение. Элементарная конъюнкция K1 покрывает ЭК K2, если каждая переменная, входящая в K1, входит и в K2.

__ __ __

X1X3 – покрытие X1X2X3X4

Nk1  Nk2

K2 = K1K
K – конъюнкция из других переменных.

__ _ _ __ _ _

X1X3 V X1X2X3X4 = X1X3 (1 V X2X4) = X1X3 – поглощение
Склеивание двух ЭК

_

Kx V Kx = K
Идея метода Квайна (алгоритм)


  1. Выписываются все элементарные конъюнкции из СДНФ функции.

  2. Проводятся все возможные склеивания между этими ЭК. Полученные новые ЭК сохраняются вместе со старыми.

  3. Между ними снова проводим все возможные склеивания до тех пор, пока это возможно. В результате среди ЭК появятся все простые импликанты функции.

  4. Проводим поглощение между всеми получившимися ЭК, то есть оставляем только те ЭК, которые не покрываются никакими другими.

  5. В результате получаются только простые импликанты. Их дизъюнкция является сокращенной ДНФ. Дальше все идет в соответствии с тривиальным алгоритмом минимизации.


Формализация Мак-Клоски.
Каждой ЭК ставим в соответствие булев вектор. (x с отрицанием – 0, без отрицания – 1).


  1. Выписываем все ЭК из СДНФ функции в формализованном виде в столбец, располагая их в порядке возрастания числа единиц в векторах и разбивая на классы по числу единиц.

  2. Между ЭК проводим все возможные склеивания. Результат записываем в новый столбец справа, а ЭК, участвовавшие в склеивании, помечаем звездочкой. Склеивать можно только ЭК из соседних классов.

  3. Для полученного столбца еще раз применяем шаг 2.

  4. Все ЭК, которые остались непомеченными звездочкой, являются простыми импликантами.

  5. Строим таблицу Квайна по следующему правилу:

А) Каждой строке ставим в соответствие простую импликанту Пi.

Б) Каждому столбцу – ЭК из СДНФ Kj.

  1. Если Пi.покрывает Kj , то в соответствующей клетке ставим знак +.

  2. Ищем ядровые импликанты (столбец, содержащий только 1 знак +). Та строка и есть ядровая (строка, в какой этот крестик содержится).

  3. Строим сокращенную таблицу (Вычеркиваем ядровые строки, а затем – столбцы, где есть вычеркнутые крестики).

  4. Ядро дополняем до тупиковой ДНФ (Ищем минимальную комбинацию строк так, чтобы в каждый столбец входил хотя бы один крестик). Дизъюнкция этих строк даст тупиковые ДНФ.

  5. Среди всех тупиковых ДНФ выбираем минимальную.

Лекция 7

Функционально полные системы функций



Определение. Система функций {f1…fn} называется полной, если любую булеву функцию можно представить в виде суперпозиции функций из этой системы (т.е. можно представить формулой, куда входят только функции из этой системы).
F

{V, &, NOT или отрицание - --}
Теорема 1.

Если система полна, и любая ее функция представима в виде суперпозиции функций из системы то и система также полна.

Доказательство

{ф1…фk}

iЕусловие.

fF = F2 – ч.т.д.

Мы заменили все функции суперпозицией из 



Теорема 2.

Если система функций полна, то будет полной и система, состоящая из двойственных функций.

Доказательство следует из принципа двойственности.
Основные типы функционально полных систем.

{&, V, NOT}

{&, NOT}

____

_ _

X V Y = (XY)

{/} – полна.

___

X/Y = (XY)
X/X = NOT(XX) = NOT(X)
 = {}
Система Жегалкина {+,&,1}.
NOT (X) = x+1

X V Y = xy+x+y
Многочлены Жегалкина.

Одночленом будем называть любое выражение вида

А * X1X2X3…Xn

A = {0 или 1} x1x3 – одночлен.

Многочленом Жегалкина называется сумма по модулю 2 различных одночленов.

А1X1+А2X2+А3X3+A4X1X2 + A5X1X3+A6X2X3+A7X1X2X3 – общий вид многочлена Жегалкина для трех переменных. Чтобы выписать общий вид многочлена Жегалкина для нужного числа переменных нужно перебрать все возможные конъюнкции переменных и сложить их по модулю 2 друг с другом, а также с переменными, входящими в функцию. Перед каждой конъюнкцией нужно расставить буквенные коэффициенты.
Теорема

Любая булева функция, тождественно не равная нулю, представима и притом единственным образом в виде многочлена Жегалкина.
Доказательство на лекции 8.
Поиск многочлена Жегалкина (МЖ) для любой выбранной булевой функции производится методом неопределенных коэффициентов. Для этого нужно выписать общий вид МЖ для нужного числа переменных, затем, подставив искомые значения переменных в МЖ, приравнять его к функции на нужном векторе. Таким образом получается система уравнений с неизвестными числами А. Решив ее, мы получим искомый МЖ.

Лекция 8

Продолжение темы «Многочлены Жегалкина»


Теорема.

Любая булева функция представима в виде многочлена Жегалкина (МЖ).
Доказательство

  1. Существование

F = ДНФ = F{&,V, NOT}
X V Y = XY+X+Y

NOT(X) = X+1
Из этого следует, что функция представима в виде МЖ.


  1. Единственность

Сосчитаем МЖ

ЭК без отрицания 2n – 1 + 1
Всего разных многочленов Жегалкина 2N – 1, где N = 2n

Это число совпадает с числом разных булевых функций, отличных от нуля.

Отсюда следует, что любой булевой функции соответствует единственный многочлен Жегалкина. Теорема доказана полностью.

Классы функций. Замкнутые и незамкнутые классы. Получение констант и элементарных булевых функций из заданной системы функций


Определение. Функция называется линейной, если ее многочлен Жегалкина не содержит ни одной конъюнкции переменных.
Замкнутые классы функций.
Определение.

Пусть дан класс функций B (т.е. конечное или бесконечное множество функций),объединенных по общему признаку. Замыканием этого класса (обозначение – [B]) будем называть множество всех суперпозиций функций из класса B.

Класс B будем называть замкнутым, если его замыкание совпадает с ним самим.
B = [B]
Теорема 1

Класс всех линейных функций замкнут.

Доказательство.

Пусть L – класс линейных функций (так и будем обозначать в дальнейшем).

L = {a0+a1x1+a2x2+…+anxn}

Подставим вместо переменной x в одну из функций функцию y такого же вида.

Получим

L = [L].
Утверждение (теорема 2)

Необходимое условие линейности.

Если функция линейна и не равна некоторой постоянной, то на половине своих наборов она равна 1.

Если в векторе значений функции число 0 и 1 различно, то функция обязательно нелинейна, а если число нулей совпадает с числом единиц, то эта функция может быть линейной, а может быть и нелинейной. В таком случае, чтобы это проверить, нужно выписать для нее многочлен Жегалкина.
Функция называется самодвойственной, если двойственная к ней функция является самой этой функцией. F* = F.
S – класс всех самодвойственных функций.

Класс S является функционально замкнутым.

Доказательство следует из принципа двойственности.

У самодвойственной функции на противоположных наборах противоположны значения.
Функция называется монотонной, если из условия следует, что f()f().

Теорема.

Класс M монотонных функций замкнут.

Свойство.

У монотонных функций сокращенная ДНФ не содержит отрицаний переменных, то есть все простые импликанты не содержат отрицаний.
Другие замкнутые классы

T0 – константа 0 (класс функций, обращающихся на нулевом векторе в 0).

Т1 – константа 1 (класс функций, обращающихся на единичном векторе в 1)
Теорема

Классы Т0 и Т1 функционально замкнуты.
Лемма о несамодвойственной функции.

Если функция несамодвойственна, то путем подстановки вместо аргументов переменной x или not(x) можно получить константу.
011 – нарушена самодвойственность
f(not(x),x,x) = const = 1 при любом x.

001 – нарушена самодвойственность

Если 0, то х с отрицанием, если 1, то без отрицания.
Доказательство _ _ _ _ _ _ _ _

F  S   : F*()  F()  F*() = F() F() = F()  F() = F()
(x) = {x1, x22, … xnn}

(0) = {0, 02, … 0n}
Путем подстановки получаем, что (x) = const.

Лемма о немонотонной функции

Путем подстановки вместо аргументов-констант и переменной х можно получить not(x).
000 

F(000) = 1 F(001) = 0

F(00X) = NOT(X)

F(100) = 1

F(110) = 0

100 < 110

F(1,x,0) = NOT(X)

Лемма о нелинейной функции

Если F(X) нелинейна, то из нее путем подстановки вместо аргументов-констант переменных (x, y, not x, not y) иожно получить: конъюнкцию этих переменных, дизъюнкцию этих переменных, отрицание конъюнкции, отрицание дизъюнкции.
F = 1 + x1+x3+x1x3+x1x2x3 = x1x3(1+x2) +x3+x1+1

F(x1,0,x3) = x1x3+x3+1

___

F(x0y) = (xy)
1   2   3   4   5   6


Лекция 6 Метод Квайна – Мак-Клоски для нахождения минимальной ДНФ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации