数学奇特之美”,走进布尔代数

人的思维过程能用数学表示吗?19世纪早期,英国数学家乔治·布尔(George Boole,1815-1864)突发奇想这个问题?此前,数学只用于计算,没有人意识到,数学还能表达人的逻辑思维。

布尔首先对这个问题作了大胆的尝试。他应用代数方法研究了逻辑,把一些简单的逻辑思维数学化,建立了逻辑代数。他当然料想不到,在一个多世纪以后,这种十分简单的代数,竞对计算机技术有着巨大的实用价值。人们怀念他,就把逻辑代数叫做布尔代数。

数学奇特之美”,走进布尔代数

两千年来,哲学书都是用文字写的。比如,最著名的三段论:

所有人都是要死的, 苏格拉底是人, 所以,苏格拉底是要死的。

乔治·布尔认为,这种推理可以用数学表达,也就是说,哲学书完全可以用数学写。这就是数理逻辑的起源。

在布尔代数里只有两个数: 1和0;只有三种运算方法:逻辑加、逻辑乘和逻辑非。两个数表示两种状态。世界上有很多事物,是只具备两种状态的。比如一根电线,它或者带电,或者不带电。所以,我们不妨把带电时叫做1,不带电时叫做0.

注意。这组的1和0,表示有矛盾关系的双方,和我们熟悉的数量概念中的1和0,含义是不同的。比如一把锁,它或者开着,或者锁着,这两种状 不能同时存在,可是一种状态可以转变成另一种状态。所以,我们可以把打开时叫做1,锁着时叫做0。一扇门,只有开着和关着两种状态,地可以用1和莱示。

一句话,对了或者错;也可以用1或0来装示。哥哥和弟弟住在一间房里,各人有一把锁和一把钥匙。为了方便和安全;祂们出门时就把两把锁互相钩住,串联在门扣上。这样一来,无论是哥哥单独打开锁,或者弟弟单独打开锁,或者两个同时打开,都能达到开门的目的。不这样,门一定不开。这种关系叫做逻辑加的关系,又叫做"或"的关系,用符号+"或者"V"表示。于是,我们可以用下面四个等式来表示四种情况:

哥哥锁开(1)

→门开(1),1+0=1;

弟弟锁不开(0)哥哥锁不开(0),

→门开(1),0+1=1;

弟弟锁开(1)哥哥锁开(1);

→门开(1),1+1=1;

弟弟锁开(1)哥哥锁不开(0):

.→门不开(0),0+0=0。

弟弟锁不开(0).

这四种情况,可以用代数式表示。令哥哥的锁的状态为A,弟弟的锁的状态为B,门的状态为Y。A、B、Y都可以分别取1或者0两种状态。这里,A、B是自变量,Y是A、B的函数,函数关系是:

A+B=Y.

再看一个例子。哥哥和弟弟共同用一个柜子,他们商量决定,无论哪一个,都不得单独开柜子。:为了保证做到这点,他们两个,把各自的锁并挂套进门扣后锁上,开柜时,必须两把锁都打开后才能开门。这种门与锁的关系,叫做逻辑乘的关系,又叫做"与"的关系,用

符号"×"或者"·"、"八"表示。这里的四种情况,也可以用四个等式表示:

哥哥锁开→门不开,1×0=0;

弟弟锁不开,哥哥锁不开→门不开,0×1=0;

弟弟锁开,哥哥锁开—→门开,1×1=1;:

弟弟锁开,哥哥锁不开→门不开,0×0=0。

弟弟锁不开,写成代数式是:A×B=Y,或者AB=Y。

还有一个运算符号,叫做逻辑非,简称"非"。逻辑非就是否定的意思,逻辑非运算也叫做反向运算,表达式是:

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布尔代数一共只有以上三种运算,没有减法和除法运算,也没有乘方、开方等运算。

布尔代数的运算规则多数与传统代数相同。不同的有以下几条:

1,表示全部集合;

0,表示空集;

1 – A, 表示排除了A以后的集合,即非A集合;

1 + A = 1, 全部集合与A集合的并集还是全部集合;

A x (1 – A)= 0,这是矛盾律,即A集合与非A集合的交集是空集,它表明一个事物不能同时是它自己和它自己的反面;

A x A = A, A集合与A集合的交集仍然是A集合;

A + A = A, A集合与A集合的并集仍然是A集合;

布尔代数只有两个数,分别是:true(真)和false(假)。

乔治·布尔发明的工具,叫做"集合论"(Set theory)。他认为,逻辑思维的基础是一个个集合(Set),每一个命题表达的都是集合之间的关系。比如,所有人类组成一个集合R,所有会死的东西组成一个集合D。所有人都是要死的

集合论的写法就是:R X D = R。

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集合之间最基本的关系是并集和交集。乘号(X)表示交集,加号(+)表示并集。上面这个式子的意思是,R与D的交集就是R。

同样的,苏格拉底也是一个集合S,这个集合里面只有苏格拉底一个成员。

苏格拉底是人 // 等同于 S X R = S。

上面式子的意思是,苏格拉底与人类的交集,就是苏格拉底。

将第一个式子代入第二个式子,就得到了结论。

S X (R X D) = (S X R) X D = S X D = S

这个式子的意思是,苏格拉底与会死的东西的交集,就是苏格拉底,即苏格拉底也属于会死的东西。

逻辑代数在逻辑电路的设计和简化中,有着广泛的应用。执行"与"、"或"、"非"功能的电子元件,叫做"与门"、"或门"、"非门",是构成逻辑线路的基本元件。

布尔代数是计算机的基础。没有它,就不会有计算机。布尔代数发展到今天,已经非常抽象,但是它的核心思想很简单,它促成了计算机的诞生。

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虽然布尔代数可以判断命题真伪,但是无法取代人类的理性思维。原因是它有一个局限。它必须依据一个或几个已经明确知道真伪的命题,才能做出判断。比如,只有知道"所有人都会死"这个命题是真的,才能得出结论"苏格拉底会死"。

布尔代数只能保证推理过程正确,无法保证推理所依据的前提是否正确。如果前提是错的,正确的推理也会得到错误的结果。而前提的真伪要由科学实验和观察来决定,布尔代数无能为力。

布尔代数发明后很久都不受重视,数学家们曾轻蔑地说它:没有数学意义,在哲学上也属于稀奇古怪的东西。直到20世纪初,罗素在《数学原理》中提到:"纯数学是布尔在一部他称之为《思想规律》的著作中发现的",人们这才关注到布尔代数。但还是认为它是毫无实际用途的"纯数学"。

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直到1938年,一位年仅22岁的美国年轻人在《继电器与开关电路的符号分析》中,将布尔代数与开关电路联系起来了。这篇文章是他在麻省理工学院(MIT)获得电气工程硕士学位的毕业论文。上世纪八十年代,被誉为"多元智能理论"之父的哈佛大学教授霍华德.加德纳(Howard Gardner)曾经评论这篇文章:"它可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文"。这位年轻人就是克劳德.艾尔伍德.香农。

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离散数学是计算机科学的重要分支之一。其中格论又是重要的组成部分。德国数学家戴德金在1900年研究对偶集时发现了格。后来经过皮尔士以及施罗德等人的工作,格的研究向前推进一大步。美国数学家伯克霍夫于1940年出版的《格论》一书,是个划时代的工作。在格论的研究中,数学家们发现,布尔代数经过特殊化处理后也是一种格,叫做布尔格,或有补分配格。


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