Giáo trình Toán rời rạc - Chương 8: Đại số Boole

Các mạch điện trong máy tính và các dụng cụ điện tử khác đều có các đầu vào,

mỗi đầu vào là số 0 hoặc số 1, và tạo ra các đầu ra cũng là các số 0 và 1. Các mạch điện

đó đều có thể được xây dựng bằng cách dùng bất kỳ một phần tử cơ bản nào có hai trạng

thái khác nhau. Chúng bao gồm các chuyển mạch có thể ở hai vị trí mở hoặc đóng và

các dụng cụ quang học có thể là sáng hoặc tối. Năm 1938 Claude Shannon chứng tỏ

rằng có thể dùng các quy tắc cơ bản của lôgic do George Boole đưa ra vào năm 1854

trong cuốn “Các quy luật của tư duy” của ông để thiết kế các mạch điện. Các quy tắc

này đã tạo nên cơ sở của đại số Boole. Sự hoạt động của một mạch điện được xác định

bởi một hàm Boole chỉ rõ giá trị của đầu ra đối với mỗi tập đầu vào. Bước đầu tiên trong

việc xây dựng một mạch điện là biểu diễn hàm Boole của nó bằng một biểu thức được

lập bằng cách dùng các phép toán cơ bản của đại số Boole. Biểu thức mà ta sẽ nhận

được có thể chứa nhiều phép toán hơn mức cần thiết để biểu diễn hàm đó. Ở cuối

chương này, ta sẽ có các phương pháp tìm một biểu thức với số tối thiểu các phép tổng

và tích được dùng để biểu diễn một hàm Boole. Các thủ tục được mô tả là bản đồ

Karnaugh và phương pháp Quine-McCluskey, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc

thiết kế các mạch điện có hiệu quả cao.

pdf21 trang | Chuyên mục: Cấu Trúc Rời Rạc | Chia sẻ: dkS00TYs | Ngày: 02/10/2014 | Lượt xem: 3490 | Lượt tải: 17download
Tóm tắt nội dung Giáo trình Toán rời rạc - Chương 8: Đại số Boole, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút "TẢI VỀ" ở trên
tích có thể cơ khí hoá được. Phương pháp Quine-McCluskey là một thủ tục như vậy. Nó 
có thể được dùng cho các hàm Boole có số biến bất kỳ. Phương pháp này được W.V. 
Quine và E.J. McCluskey phát triển vào những năm 1950. Về cơ bản, phương pháp 
Quine-McCluskey có hai phần. Phần đầu là tìm các số hạng là ứng viên để đưa vào khai 
triển cực tiểu như một tổng các tích Boole mà ta gọi là các nguyên nhân nguyên tố. Phần 
thứ hai là xác định xem trong số các ứng viên đó, các số hạng nào là thực sự dùng được. 
8.4.2.2. Định nghĩa: Cho hai hàm Boole F và G bậc n. Ta nói G là một nguyên nhân 
của F nếu TGTF, nghĩa là GF là một hằng đúng. 
 Dễ thấy rằng mỗi hội sơ cấp trong một dạng tổng chuẩn tắc của F là một nguyên 
nhân của F. Hội sơ cấp A của F được gọi là một nguyên nhân nguyên tố của F nếu trong 
A xoá đi một biến thì hội nhận đuợc không còn là nguyên nhân của F. 
 Nếu F1, …, Fk là các nguyên nhân của F thì FF TT i  , ki 1 . Khi đó 

k
i
FF
F
TTT
i
k
i
i 1
1




. Do đó 

k
i
iF
1
 là một nguyên nhân của F. 
 Cho S là một hệ các nguyên nhân của F. Ta nói rằng hệ S là đầy đủ đối với F nếu 



SG
GF , nghĩa là 
SG
GF TT

 . 
8.4.2.3. Mệnh đề: Hệ các nguyên nhân nguyên tố của hàm F là một hệ đầy đủ. 
Chứng minh: Gọi S là hệ các nguyên nhân nguyên tố của F. Ta có SgTT FG  , , 
Nên .F
SG
GG TTT
SG




 Giả sử dạng tổng chuẩn tắc hoàn toàn của F là 


''
'
SG
GF 
nên 
''
'
SG
GF TT

 . 
 Xét '' SG , nếu G’ không phải là nguyên nhân nguyên tố của F thì bằng cách 
xoá bớt một số biến trong G’ ta thu được nguyên nhân nguyên tố G của F. Khi đó 
GG TT ' và 
SG
G
SG
G TT


''
' hay 
SG
GF TT

 . Vì vậy 
SG
GF TT

 hay 


SG
GF . 
 129 
 Dạng tổng chuẩn tắc 


SG
GF được gọi là dạng tổng chuẩn tắc thu gọn của F. 
8.4.2.4. Phƣơng pháp Quine-McCluskey tìm dạng tổng chuẩn tắc thu gọn: 
 Giả sử F là một hàm Boole n biến x1, x2, …, xn. Mỗi hội sơ cấp của n biến đó 
được biểu diễn bằng một dãy n ký hiệu trong bảng {0, 1, −} theo quy ước: ký tự thứ i là 
1 hay 0 nếu xi có mặt trong hội sơ cấp là bình thường hay với dấu phủ định, còn nếu xi 
không có mặt thì ký tự này là −. Chẳng hạn, hội sơ cấp của 6 biến x1, …, x6 là 6431 xxxx 
được biểu diễn bởi 0−11−0. Hai hội sơ cấp được gọi là kề nhau nếu các biểu diễn nói 
trên của chúng chỉ khác nhau ở một vị trí 0, 1. Rõ ràng các hội sơ cấp chỉ có thể dán 
được với nhau bằng phép dán Ax AAx nếu chúng là kề nhau. 
 Thuật toán được tiến hành như sau: Lập một bảng gồm nhiều cột để ghi các kết 
quả dán. Sau đó lần lượt thực hiện các bước sau: 
Bƣớc 1: Viết vào cột thứ nhất các biểu diễn của các nguyên nhân hạng n của hàm Boole 
F. Các biểu diễn được chia thành từng nhóm, các biểu diễn trong mỗi nhóm có số các ký 
hiệu 1 bằng nhau và các nhóm xếp theo thứ tự số các ký hiệu 1 tăng dần. 
Bƣớc 2: Lần lượt thực hiện tất cả các phép dán các biểu diễn trong nhóm i với các biểu 
diễn trong nhóm i+1 (i=1, 2, …). Biểu diễn nào tham gia ít nhất một phép dán sẽ được 
ghi nhận một dấu * bên cạnh. Kết quả dán được ghi vào cột tiếp theo. 
Bƣớc 3: Lặp lại Bước 2 cho cột kế tiếp cho đến khi không thu thêm được cột nào mới. 
Khi đó tất cả các biểu diễn không có dấu * sẽ cho ta tất cả các nguyên nhân nguyên tố 
của F. 
Thí dụ 9: Tìm dạng tổng chuẩn tắc thu gọn của các hàm Boole: 
wxyzxyzwyzxwzyxwyzxwzyxwzyxwF 1 , 
wxyzzwxyzywxzywxyzxwyzxwzyxwF 2 . 
Từ các bảng trên ta có dạng tổng chuẩn tắc thu gọn của F1 và F2 là: 
yzzxzwF 1 , 
.2 wxwyzyzxyxwF  
 0 0 0 1 * 
 0 1 0 1 * 
 0 0 1 1 * 
 1 0 0 1 * 
 1 0 1 1 * 
 0 1 1 1 * 
 1 1 1 1 * 
 0 − 0 1 * 
 0 0 − 1 * 
 − 0 0 1 * 
 − 0 1 1 * 
 1 0 − 1 * 
 0 1 − 1 * 
 0 − 1 1 * 
 1 − 1 1 * 
 − 1 1 1 * 
 0 − − 1 
 − 0 − 1 
 − − 1 1 
 0 0 1 0 * 
 0 0 1 1 * 
 1 1 0 0 * 
 1 0 1 1 * 
 1 1 0 1 * 
 1 1 1 0 * 
 1 1 1 1 * 
 0 0 1 − 
 − 0 1 1 
 1 1 0 − * 
 1 1 − 0 * 
 1 − 1 1 
 1 1 − 1 * 
 1 1 1 − * 
 1 1 − − 
 130 
8.4.2.5. Phƣơng pháp Quine-McCluskey tìm dạng tổng chuẩn tắc tối thiểu: 
 Sau khi tìm được dạng tổng chuẩn tắc thu gọn của hàm Boole F, nghĩa là tìm 
được tất cả các nguyên nhân nguyên tố của nó, ta tiếp tục phương pháp Quine-
McCluskey tìm dạng tổng chuẩn tắc tối thiểu (cực tiểu) của F như sau. 
 Lập một bảng chữ nhật, mỗi cột ứng với một cấu tạo đơn vị của F (mỗi cấu tạo 
đơn vị là một hội sơ cấp hạng n trong dạng tổng chuẩn tắc hoàn toàn của F) và mỗi dòng 
ứng với một nguyên nhân nguyên tố của F. Tại ô (i, j), ta đánh dấu cộng (+) nếu nguyên 
nhân nguyên tố ở dòng i là một phần con của cấu tạo đơn vị ở cột j. Ta cũng nói rằng 
khi đó nguyên nhân nguyên tố i là phủ cấu tạo đơn vị j. Một hệ S các nguyên nhân 
nguyên tố của F được gọi là phủ hàm F nếu mọi cấu tạo đơn vị của F đều được phủ ít 
nhất bởi một thành viên của hệ. Dễ thấy rằng nếu hệ S là phủ hàm F thì nó là đầy đủ, 
nghĩa là tổng của các thành viên trong S là bằng F. 
 Một nguyên nhân nguyên tố được gọi là cốt yếu nếu thiếu nó thì một hệ các 
nguyên nhân nguyên tố không thể phủ hàm F. Các nguyên nhân nguyên tố cốt yếu được 
tìm như sau: tại những cột chỉ có duy nhất một dấu +, xem dấu + đó thuộc dòng nào thì 
dòng đó ứng với một nguyên nhân nguyên tố cốt yếu. 
 Việc lựa chọn các nguyên nhân nguyên tố trên bảng đã đánh dấu, để được một 
dạng tổng chuẩn tắc tối thiểu, có thể tiến hành theo các bước sau. 
Bƣớc 1: Phát hiện tất cả các nguyên nhân nguyên tố cốt yếu. 
Bƣớc 2: Xoá tất cả các cột được phủ bởi các nguyên nhân nguyên tố cốt yếu. 
Bƣớc 3: Trong bảng còn lại, xoá nốt những dòng không còn dấu + và sau đó nếu có hai 
cột giống nhau thì xoá bớt một cột. 
Bƣớc 4: Sau các bước trên, tìm một hệ S các nguyên nhân nguyên tố với số biến ít nhất 
phủ các cột còn lại. 
 Tổng của các nguyên nhân nguyên tố cốt yếu và các nguyên nhân nguyên tố 
trong hệ S sẽ là dạng tổng chuẩn tắc tối thiểu của hàm F. 
 Các bước 1, 2, 3 có tác dụng rút gọn bảng trước khi lựa chọn. Độ phức tạp chủ 
yếu nằm ở Bước 4. Tình huống tốt nhất là mọi nguyên nhân nguyên tố đều là cốt yếu. 
Trường hợp này không phải lựa chọn gì và hàm F có duy nhất một dạng tổng chuẩn tắc 
tối thiểu cũng chính là dạng tổng chuẩn tắc thu gọn. Tình huống xấu nhất là không có 
nguyên nhân nguyên tố nào là cốt yếu. Trường hợp này ta phải lựa chọn toàn bộ bảng. 
Thí dụ 10: Tìm dạng tổng chuẩn tắc tối thiểu của các hàm Boole cho trong Thí dụ 9. 
 zyxw zyxw yzxw zyxw yzxw xyzw wxyz 
zw + + + 
zx + + + + 
yz + + + + 
 131 
Các nguyên nhân nguyên tố đều là cốt yếu nên dạng tổng chuẩn tắc tối thiểu của F1 là: 
yzzxzwF 1 
 zyxw yzxw yzxw zywx zywx zwxy wxyz 
wx + + + + 
yxw + + 
yzx + + 
wyz + + 
 Các nguyên nhân nguyên tố cốt yếu nằm ở dòng 1 và 2. Sau khi rút gọn, bảng 
còn dòng 3, 4 và một cột 3. Việc chọn S khá đơn giản: có thể chọn một trong hai nguyên 
nhân nguyên tố còn lại. Vì vậy ta được hai dạng tổng chuẩn tắc tối thiểu là: 
yzxyxwwxF 2 , 
wyzyxwwxF 2 . 
 132 
BÀI TẬP CHƢƠNG VIII: 
1. Cho S là tập hợp các ước nguyên dương của 70, với các phép toán •, + và ’ được định 
nghĩa trên S như sau: 
a • b = UCLN(a, b), a + b = BCNN(a, b), a’ = 70/a. 
Chứng tỏ rằng S cùng với các phép toán •, + và ’ lập thành một đại số Boole. 
2. Chứng minh trực tiếp các định lý 6b, 7b, 8b (không dùng đối ngẫu để suy ra từ 6a, 
7a, 8a). 
3. Chứng minh rằng: 
a) (a+b).(a+b’) = a; 
b) (a.b)+(a’.c) = (a+c).(a’+b). 
4. Cho các hàm Boole F1, F2, F3 xác định bởi bảng sau: 
x y z F1 F2 F3 
0 0 0 1 1 0 
0 0 1 1 0 1 
0 1 0 0 1 1 
0 1 1 1 1 0 
1 0 0 1 0 1 
1 0 1 0 0 1 
1 1 0 0 1 1 
1 1 1 1 1 1 
Vẽ mạch thực hiện các hàm Boole này. 
5. Hãy dùng các cổng NAND để xây dựng các mạch với các đầu ra như sau: 
 a) x b) xy c) x+y d) x y. 
6. Hãy dùng các cổng NOR để xây dựng các mạch với các đầu ra được cho trong Bài 
tập 5. 
7. Hãy dùng các cổng NAND để dựng mạch cộng bán phần. 
8. Hãy dùng các cổng NOR để dựng mạch cộng bán phần. 
9. Dùng các bản đồ Karnaugh, tìm dạng tổng chuẩn tắc tối thiểu (khai triển cực tiểu) của 
các hàm Boole ba biến sau: 
a) zyxyzxF  . 
b) zyxyzxzxyxyzF  . 
c) zyxyzxzyxzyxzxyF  . 
d) zyxzyxyzxzyxzyxxyzF  . 
 133 
10. Dùng các bản đồ Karnaugh, tìm dạng tổng chuẩn tắc tối thiểu của các hàm Boole 
bốn biến sau: 
 a) zyxwzyxwzywxzywxwxyzF  . 
 b) zyxwzyxwzyxwyzxwzywxzwxyF  . 
 c) zyxwzyxwzyxwzyxwzyxwzywxzwxywxyzF  . 
 d) zyxwzyxwyzxwxyzwzyxwyzxwzywxzwxywxyzF  . 
11. Dùng phương pháp Quine-McCluskey, tìm dạng tổng chuẩn tắc tối thiểu của các 
hàm Boole ba biến cho trong Bài tập 9 và hãy vẽ mạch thực hiện các dạng tối thiểu tìm 
được. 
12. Dùng phương pháp Quine-McCluskey, tìm dạng tổng chuẩn tắc tối thiểu của các 
hàm Boole bốn biến cho trong Bài tập 9 và hãy vẽ mạch thực hiện các dạng tối thiểu tìm 
được. 
13. Hãy giải thích làm thế nào có thể dùng các bản đồ Karnaugh để rút gọn dạng tích 
chuẩn tắc (tích các tổng) hoàn toàn của một hàm Boole ba biến. (Gợi ý: Đánh dấu bằng 
số 0 tất cả các tuyển sơ cấp trong biểu diễn và tổ hợp các khối của các tuyển sơ cấp.) 
14. Dùng phương pháp ở Bài tập 13, hãy rút gọn dạng tích chuẩn tắc hoàn toàn: 
))()()(( zyxzyxzyxzyxF  . 
 134 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nguyễn Cam-Chu Đức Khánh, Lý thuyết đồ thị, NXB Thành phố Hồ Chí 
Minh, 1999. 
[2] Hoàng Chúng, Đại cương về toán học hữu hạn, NXB Giáo dục, 1997. 
[3] Phan Đình Diệu, Lý thuyết Ô-tô-mat và thuật toán, NXB Đại học và THCN, 
1977. 
[4] Đỗ Đức Giáo, Toán rời rạc, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2000. 
[5] Nguyễn Xuân Quỳnh, Cơ sở toán rời rạc và ứng dụng, NXB Giáo dục, 1995. 
[6] Đặng Huy Ruận, Lý thuyết đồ thị và ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 
2000. 
[7] Nguyễn Tô Thành-Nguyễn Đức Nghĩa, Toán rời rạc, NXB Giáo dục, 1997. 
[8] Claude Berge, Théorie des graphes et ses applications, Dunod, Paris 1963. 
[9] Richard Johnsonbaugh, Discrete Mathematics, Macmillan Publishing 
Company, New york 1992. 

File đính kèm:

  • pdfGiao_Trinh_TRR_C8.pdf
Tài liệu liên quan