
- •Алгебра логики в задачах
- •Издательство «наука» главная редакция физико-математической литературы
- •17071, Москва, в-71, Ленинский проспект, 15
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Путеводитель и указания к пользованию книгой
- •§ 1. Операции над высказываниями
- •Ответы и указания к задачам § 1
- •Нужио лишь вспомнить определения необходимых и достаточ ных условий, после чего утверждение превращается в тавтологию.
- •16 Операций; каждая операция задается своей истинностной таблицей, так что задача заключается в том, чтобы найти число всех различных таблиц.
- •Решение непосредственно следует из определения фиктивного вхождения (задача 1.10) и определения равносильности формул.
- •Достаточно выразить конъюнкцию и отрицание или дизъюнкцию ц отрицание.
- •§ 2. Функции алгебры логики; нормальные формы
- •Функции алгебры логики; равносильность функций.
- •Булевы алгебры.
- •, (2 9) Для перенесения отрицаний (ср. Задачу 2.8).
- •Ответы и указания к задачам § 2
- •2.36. Элементарная дизъюнкция (правильная) X°‘V. . .V*”" равна
- •Можно выбирать произвольно значения функции на всех наборах, кроме нулевого, т. Е. На (2"—1) наборах. Такой выбор осуществляется 22"-1 способами.
- •Рассмотрим для примера равносильности (2.3) и (2.7).
- •Решение аналогично решению задачи 2.6, с той лишь разницей, что вместо распределительного закона ,(2-6) используется закон (2.7).
- •Решение мальчика не выполнено, если он не закончил чтение книги или не сходил ни в музей, ни в кино, и, хотя была хорошая погода, он не купался.
- •Простые высказывания:
- •В примере 3) рассмотрим подалгебру из трех элементов:
- •Вновь применяем преобразование 3).
- •§3. Закон двойственности в алгебре логики
- •§ 4. Арифметические операции в алгебре логики
- •Ответы и указания к задачам § 4
- •Ответы и решения к задачам § 4
- •Общий вид нелинейной функции от двух переменных:
- •§5. Монотонные функции алгебры логики
- •Ответы и решения к задачам § 5
- •§ 6. Функционально замкнутые классы и теорема поста
- •§7. Общая теория функционально
- •§8. Схемы из функциональных элементов
- •§ 9. Релейно-контактные схемы. Оценки сложности схем
- •Реализация линейных функций контактными схемами.
- •Ответы и решения к задачам § 9
- •§ 10. Элементы вероятностной логики
- •Ответы и указания к задачам § 10
- •§ II. Многозначные логики
- •10, Если хфЬ.
- •§ 12. Логика предикатов
- •Последовательность {ап} имеет конечный предел, если
§ II. Многозначные логики
Рассмотренная' в предыдущих параграфах д в у з н а ч- н а я логика допускает обобщение на k-з н а ч н ы й случай. По аналогии с определением 2.1 дадим
Определение 11.1. Функция f(xи . . ., хп) называется функцией k-значной логики, если ее аргументы определены на множестве {0, 1, . . ., k—1}, состоящем из /г элементов, и сама функция принимает значения из того же множества.
Множество всех функций А-значной логики обозначим через Р/г. Случай k>2 оказывается существенно более сложным, чем рассмотренный нами случай &=2; общий случай во многом не похож на этот частный случай. Мы коснемся здесь немногих вопросов, в которых в основном можно проследить аналогию с двузначной логикой, и лишь отметим некоторые из имеющихся отличий 1).
Найти число функций £-значной логики, зависящих от п переменных. ▲
Попытаемся обобщить совершенную дизъюнктивную нормальную форму на &-значный случай. Это можно сделать не вполне единственным образом. Мы советуем читателю перед тем, как читать следующее далее описание одного из возможных путей, самому подумать над этим вопросом.
Напомним, что СДНФ для функции f(xu . ., хп) при &=2 имеет вид
f{x 1, ...,*„)= V/(81, ....
где дизъюнкция берется по всем двоичным наборам (мы рассматривали и другую форму СДНФ, в которой дизъюнк
ция бралась лишь по наборам, на которых /(6)=1, но она не удобна для обобщения).
Существенную роль в СДНФ играют элементарные конъюнкции 41 &.. .&4", которые отличны от нуля лишь на одном наборе (6Ь . . ., 6П). При этом все они получаются из конъюнкции, отвечающей единичному набору, подстановкой функций от одной переменной хъ.
Аналогом единичного набора в общем случае для нас будет набор (k— 1, k—1, . . k—1). Положим
ъ_\к—1, если x=b\
10, Если хфЬ.
Получаем k функций от одной переменной, соответствующих 6=0, 1, . . ., k—1. Назовем конъюнкцией k-значной логики функцию
хх & ... &xk = min(xt, л^)1).
Ясно, что тогда элементарная конъюнкция
ЛГж* & ... & Xk*
будет обладать требуемым свойством (она отлична от нуля лишь на наборе (6Ь . . ., bh) и равна k—1 на этом наборе). Полагая аналогично
x,V ... У хп — шах (Xj, ..., хп), мы можем построить аналог СДНФ в &-значной логике.
Доказать, что всякая функция &-значной логики единственным образом представляется в виде
f(xv ..., х„) = Vad&Xi‘& ... &х%п,
где дизъюнкция берется по всем &-значным наборам б=(бх 6„) длины п. При этом коэффициенты обязательно имеют вид
Об="/(б1- •••> б«)- ▲
По аналогии с двузначной логикой будем называть полученное представление СДНФ.
С какой полной системой функций А-значной логики связано представление функций в виде СДНФ 2). А
Из задачи 11.3 следует, в частности, что совокупность всех функций от двух переменных является полной системой. Ясно, что совокупность всех функций от одной переменной не является полной системой (они образуют функционально замкнутый класс).
Показать, что система функций, состоящая из всех функций от одной переменной и функции х \/у, является полной. ▲
В задаче 11.4 можно брать не все функции от одной переменной; например, достаточно функций л^(б—0, 1,..., k—1), х и констант. Рассмотрим другой пример. Пусть
Тогда еи A_1(-’^-)=л:,.
Показать, что система функций, состоящая из всех функций e.ij(x) и функции х\/у, является полной. А
Оказывается, что здесь можно даже ограничиться одной функцией от одной переменной х+1 (сложение всюду проводится по модулю /г).
Показать, что система функций {х\/у, 1} полна (и даже является базисом). А
Исходя из задачи 11.6, легко построить аналог функции Шеффера для &-значной логики (функцию Шеффера — Вебба):
x\J у+ 1.
Доказать, что система, состоящая из одной функции х\/у+1, является полной. А
В £-значной логике можно также рассмотреть вопрос
о представимости функций полиномами1) (аналогполино- мов Жегалкина). При этом оказывается, что такое представление возможно лишь для простых k.
118 Показать, что всякую функцию &-значной логики можно представить полиномом по модулю k, если k — простое число.
Показать, что в &-значной логике для составного k имеются функции, не представимые полиномами по модулю /г. ▲
Посмотрим, к какому виду можно привести полином, представляющий функцию ^-злачной логики (k — простое число). Во-первых, ясно, что можно считать коэффициенты заключенными между 0 и k—1 (они являются целыми числами); во-вторых, в силу известной из теории сравнений малой теоремы Ферма [2]
хк == х (mod k)\
поэтому можно сказать, что все переменные входят в степенях, не превосходящих k—1.
Показать, что представление функций й-значной логики (k — простое число) в виде полиномов, обладающих двумя перечисленными свойствами, единственно. А
С какой полной системой связано представление функций полиномами в &-значной логике \k —■ простое число)? А ‘
Мы дадим ниже обзор результатов о предполных классах в &-значной логике, а пока докажем существование конечного числа предполных классов и укажем алгоритм построения конечного числа классов, среди которых содержатся пред- полные (теорема А. В. Кузнецова). Впрочем, уже при k—3, 4 этот алгоритм требует огромных выкладок, не позволяющих получить явное перечисление предполных классов.
Начнем с совсем простого замечания.
Доказать, что всякий базис в &-значной логике конечен. ▲
Перейдем к описанию алгоритма для построения предполных классов в &-значной логике.
Определение 11.2 Пусть Ф — некоторая совокупность функций, зависящих от одних и тех же переменных: <pi(*x хг), . . ., фт(*1, . . хг), . . . Будем говорить, что некоторая функция f(yu . . ., //„) сохраняет множество Ф, если после замещения всех ее аргументов функциями из Ф получается функция, также принадлежащая Ф.
Рассмотрим все подмножества множества функций от двух переменных х и у, содержащих функции х и у и не совпадающие с множеством всех функций. Ясно, что имеется конечное число таких множеств.
Множество Ф указанного вида назовем замкнутым, если оно содержит все (с точностью до переименования переменных) функции от двух переменных, которые могут быть получены из его элементов при помощи суперпозиции (другими словами, множество Ф совпадает с пересечением множества функций от переменных х, у и функционально замкнутого класса, порождаемого Ф).
Построить алгоритм, позволяющий выяснить вопрос, является ли некоторое множество Ф замкнутым. ▲
Пусть Фх, Ф2, . . ., ФЛ — все замкнутые множества функций от х н у. Для каждого из этих множеств Ф( обозначим через Tt совокупность всех функций &-значной логики, сохраняющих Фг. Ясно, чтоФ;с:7'; (ввиду замкнутости Ф(). У нас имеется алгоритм, позволяющий выяснить, входит ли функция f в Tj или нет.
Доказать, что множества Tt являются функционально замкнутыми классами. ▲
Показать, что система Ф функций &-значной логики полна тогда и только тогда, когда Ф не содержится целиком ни в одном из классов Tt. А
Класс Tt назовем максимальным, если он не содержится ни в каком другом из этих классов. Пусть Q,, . . ., Qt — максимальные из классов 7\-.
Показать, что Qu . . ., Qt — это все предполные классы в &-значной логике. ▲
Итак, доказана конечность числа предполных классов и указан способ их построения. Отметим, что этот способ не является алгоритмом. Указан алгоритм построения классов Tt (точнее, получения описания этих классов). Но заранее не ясно, имеется ли алгоритм для выбора максимальных классов Qj, так как хотя классов Tt конечное число, сами классы бесконечны и не ясно, имеется ли алгоритм для выяснения вопроса, содержится ли один из этих классов в другом (из включения ФхСгФг нельзя, вообще говоря, сделать вывода о взаимоотношении 7\ и 7’2). Исходя из проведенных рассуждений, можно оценить сверху число предполных классов в &-значной логике. Оно меньше числа подмножеств множества функций от двух переменных, т. е. меньше 2ftfc\ Эта величина очень быстро растет с ростом k.
Приведем перечень предполных классов в 3-значной логике, найденных С. В. Яблонским [1].
Начнем с аналогов классов Р0 и Рх двузначной логики:
Р0 — функции, сохраняющие 0;
Рх — функции, сохраняющие 1;
Р2 — функции, сохраняющие 2.
Имеются еще и другие аналоги классов Р0 и Рх:
Р{о, i} — функции, сохраняющие множество {0, 1}, т. е. на наборах, состоящих из 0 и 1, они принимают значения 0 или 1;
Р{о, 2} — функции, сохраняющие множество {0, 2);
Р{.,2} — функции, сохраняющие множество {1, 2}. Поскольку 3 — простое число (см. стр. 248), имеется
L — класс линейных функций.
В 3-значной логике имеется несколько классов монотонных функций (из-за того, что можно различными способами упорядочивать числа 0, 1, 2):
Мх — функции, монотонные относительно порядка 0< 1 <2;
Ms — функции, монотонные относительно порядка 1 < 2< 0;
М3 — функции, монотонные относительно порядка 2<0< 1.
Остальные упорядочения не приводят к. новым классам.
Аналогично различными способами в 3-значной логике можно вводить понятие двойственности. Его можно связывать с любой подстановкой s(x) чисел 0, 1, 2:
ft (11 хп) = s-1 (/ (s (jcJ, .. ., s (*„))) *).
Однако не все подстановки приводят к преднолным самодвойственным классам. В трехзначной логике таковой является лишь подстановка лг—*-дс+1 (в &-значной логике предполных самодвойственных классов больше; их можно все описать Ш). Итак,
Sx+1 — самодвойственные функции от носительно подстановки Х-+Х+1.
Далее, укажем еще три класса, являющиеся более тонкими аналогами классов Р0 и двузначной логики:
Р(01) — функции, которые для всякого набора a={ai, . . ап), состоящего из 0 и 1, на всех наборах Р, не совпадающих с а ни в одном разряде, не принимают либо значения 0, либо значения 1 (это значение может зависеть от набора а);
класс Р(0 2) получается из Pi0 lt заменой пары (0, 1) на (0, 2);
аналогично строится класс Р(1,2).
Теперь укажем классы, которые не имеют аналогов при k=2 (их точные аналоги совпадают с множеством всех функций алгебры логики);
класс U„ состоит из функций, которые на любой совокупности наборов, у которых в некоторых фиксированных разрядах стоят нули, а в остальных их нет, либо не принимают значения нуль, либо равны нулю на всех этих наборах;
класс их связан с 1 так же, как U0 с 0;
класс U2 аналогичным образом связан с 2.
И, наконец, еще один класс, не имеющий аналога при k=2 (формально при k=2 приводимое ниже определение дает класс функций от одной переменной):
С — класс, состоящий из всех функций, существенно зависящих не более чем от одной переменной, и функций, не принимающих, по крайней мере, одного значения.
Это полный перечень предполных классов трехзначной логики. В задаче о предполных классах в силу теоремы
А. В. Кузнецова (задача 11.16) можно все свести к перебору, связанному с функциями от двух переменных. Этот факт можно еще уточнить. Просматривая перечень предполных классов в 3-значной логике, можно заметить, что лишь класс С содержит все функции от одной переменной; более того, все остальные классы не замкнуты относительно подстановки функций от одной переменной. Оказывается, что этот результат имеет место для любого k. Именно, имеет место теорема Слупецкого (см. (И), в силу которой система
функций, содержащая все функции от одной переменной и функцию, существенно зависящую более чем от одной переменной и принимающую все ft значений, полна. Отсюда следует, что в ft-значной логике имеется лишь один пред- полный класс, содержащий все функции от одной переменной, Нахождение остальных предполных классов может бып проведено, исходя из подмножеств множества функцнй от одной переменной. При этом можно улучшить оценку для числа предполных классов: их меньше, чем 2к'\ Таким образом, задачу о нахождении числа предполных классов можно свести к перебору в множестве функций от одной переменной (число которых kk сильно растет с ростом ft).
Имеются работы (см., например, [31), в которых выясняется, какого запаса функций от одной переменной достаточно в теореме Слупецкого.
До недавнего времени предполные классы в ft-значпой логике были известны лишь при k=2, 3. Имелась даже гипотеза, что не!' описания множества предполных классов для любого ft, существенно более эффективного, чем описание, данное в теореме Кузнецова. Именно, казалось, что число типов предполных классов растет с ростом k и даже описание типов классов невозможно без большого перебора. В 1965 г. И. Р о з е н б е р г [51 сообщил результат, содержащий существенно более явное, чем ранее известные, описание предполных классов в ft-значной логике. Оказалось, что имеется шесть типов таких классов, большая часть которых уже была известна. Это классы самодвойственных функций для различных подстановок, найденные в 11.1; классы монотонных функций для различных частичных упорядочений набора {1, 2, . . ., ft} (все они приводят к замкнутым классам, но не все к предполным; предполные монотонные классы найдены в [4]). Мы обсуждали выше представление функций в ft-значной логике для простого ft полиномами по модулю ft, в результате чего для простого ft имеется предполный класс линейных функций. Оказывается, чго если ft — степень простого числа, то существует представление функций, обобщающее представление функций полиномами; при этом возникает предполный класс квазилинейных функций. Другие типы классов обобщают классы типов Р, U в трехзначной логике; имеются еще некоторые классы, связанные с классом Слупецкого.
|
при k^.8. Найденное число предполных классов Mh, а также число классов с точностью до эквивалентности Л4к (классы считаются эквивалентными, если один из них получается из другого при некоторой перестановке чисел (1, 2, k}) указано в приводимой ниже таблице. Для полноты мы включили в таблицу Nk, Mk при k=2, 3.
k |
Nk |
М, |
2 |
5 |
4 |
3 |
18 |
8 |
4 |
80 |
16 |
5 |
667 |
34 |
6 |
15237 |
107 |
7 |
7854724 |
> 2000 |
8 |
> 51011 |
— |
Найдена асимптотика для Nh, Мк при больших k. Оказалось, что
Nb
Mt
где б (/г)--1 для нечетных k, S(k)—2 для четных k. Из этих результатов следует, что перечисление всех классов требует большого перебора, хотя его порядок сильно уменьшен. Кроме того, окончательно выяснена природа всех предполных классов.
Мы говорили здесь лишь о предполных классах, ничего не говоря о всех функционально замкнутых классах. Оказывается 171, что при k > 2 имеется континуум функционально замкнутых классов (напомним, что при k=2 их счетное число). Отметим, что опять-таки число классов, содержащих все функции от одной переменной, конечно, и они могут быть эффективно описаны. Тут ситуация несколько напоминает то, что мы видели при k=2 для расширенной суперпозиции. Там всесильно упрощалось при наличии констант; при k>2 констант уже недостаточно. Однако если имеются все функции от одной переменной, то задача упрощается.
Ответ. кк". См. задачу 2.2.
Доказательство полностью аналогично доказательству при k=2 (см. § 2).
Воспользоваться задачей 11.3. Рассмотреть функцию от одной переменной
x=k—1—х.
Показать, что всякая функция от одной переменной выражается через XVу и е;у(х).
Выразить е,у(х) через XVу и х+1. Ясно, что из х+1 можно получить х+а для любого а. Вначале выразить х', а затем произвольную функцию e;j(x) (напомним, что xvу= max (х, у)).
Можно доказать возможность представления индукцией по числу переменных. При этом более сложная часть — это рассмотрение функций от одной переменной (приходится исследовать систему линейных уравнений, определитель которой является определителем Вандер- монда). Несколько проще следующий путь.
Показать, что всякую функцию ец(х) можно представить полиномом. При этом удобно воспользоваться теоремой Безу и следующим известным фактом из теории сравнений: сравнение ахз=Ь(тод р), где р — простое число, разрешимо для любого Ь, если а^О (mod р).
Показать, что для всякой функции справедливо представление
f(x xn) = ^j,f (вц •••« *„) V - •**»!•
где суммирование ведется по всем наборам длины п (сложение и умножение понимаются в арифметическом смысле).
Показать, что функция е;1(х), где i не взаимно просто с к, не представима полиномом р;(х). Воспользоваться тем, что если для полинома с целыми коэффициентами Р(а)з»0 (mod к), где а — целое число, то P(x)=Q(x)(x—а) (mod к), где Q{x] — полином с целыми коэффициентами (теорема Безу в кольце вычетов по модулю к\ для доказательства нужно разделить Р{х) на х—а и заметить, что остаток делится на к). Учесть также, что сравнение <w= 1 (mod к) не имеет решений, если наибольший общий делитель а и к больше 1. Можно рассуждать, следуя плану решения задачи 11.8.
Доказывается аналогично доказательству единственности представления функций алгебры логики полиномами Жегалкина (задача 4.4).
Воспользоваться наличием в /г-значной логике функции Шеффера — Вебба.
Пусть Фт—множество функций от переменных хну, которые могут быть получены суперпозицией функций из Ф ие более чем за т шагов; ФтсцФп при т<п. Ясно, что замкнутость множества Ф равносильна тому, что все Фт совпадают с Ф. Показать, что для замкнутости Ф необходимо и достаточно, чтобы множества Ф иФ, совпадали.
Проверяется непосредственно, исходя из определений.
Пусть /?(Ф) —функционально замкнутый класс, порожденный Ф. Показать, что /?(Ф) содержит все функции от переменных хну.
Ясно, что в формулировке задачи 11.15 можно заменить классы Тi на Q.-. Дальнейшие рассуждения аналогичны решению задач 6.17 — 6.19.
Число ft-значных наборов длины п равно кп. Число функций от п переменных равно числу наборов длины кп.
Подставим в функции, стоящие с обеих сторон, набор сг= =(alt . . ., <тп). В ft-значной логике конъюнкция, у которой один из членов равен нулю, равна нулю (см. определение). Поэтому в правой части может быть отличен от нуля лишь член, отвечающий 6=ст, т. е.
. .&#*. Он, в свою очередь, будет равен а„&(к—1)=аа, т. е. обязательно aa=f(c), а если коэффициенты имеют такой вид, то наша форма действительно представляет /(х1г . . ., хп). Единственность можно установить, заметив, что имеется ftfc" различных СДНФ от п переменных.
Полная система: х&у, XVу, х' (6=0, 1, . . ., к—1); константы
к—2. Нужно лишь заметить, что из конъюнкции двух переменных можно получить конъюнкцию любого числа переменных (и аналогично для дизъюнкции). Особо отметим необходимость констант, чего не было при ft=2, так как там можно было в СДНФ опустить коэффициенты, перейдя к дизъюнкции по наборам, на которых /(6)= 1 ■
В силу задачи 11.3 достаточно показать, что функция х&у выражается через х\Гу и функции от одной переменной. Как и при к=2, имеем:
х&у = х\/у,
что непосредственно следует из определения этих функций в ft-значной логике.
Пусть f(x) — функция от одной переменной. Имеем:
f(x)= V Щ /(/> (х).
0</<fc-l
Имеем:
х'=1 + V (*+а).
о<а<:£-1
a&k-l+i
Действительно, V (л+в)=тах (х+а) будет равна к— 1 при д:// и правая часть равна в этом случае 0 (по модулю к). При x=i имеем V (х+а)= —k—2 и правая часть равна k—1.
Далее,
«,/(*) = [*' V (к—/ —1)1+/+1-
Действительно, функция x'v(k—/—1) равна к—1 при х=1 и равна к—j—1 в остальных случаях.
Наконец, ясно, что ни одна из этих функций не образует полной системы, так как х+1 — функция от одной переменной, а функция хУ у сохраняет нуль (эти свойства, как легко заметить, являются наследственными и в fe-значной логике).
Имеем x+l=*Vx+l; ХУy=(xVy+l)+(k— 1).
1. Попытаемся найти полином /■,(*) степени р, представляющий eit(x), т е. совпадающий (по модулю р) с еа(х) при х—0, 1 р—
—1. Для того чтобы г;(/)=0 (mod р) при / Ф i (0 < / < р—1), достаточно, чтобы все целые числа j являлись корнями rt(x) В этом случае нам известно р—1 корней полинома г^х)] все они вещественны, значит, и >й корень а должен быть веществен. Пусть
г,-(х) = (х—я) х (х— 1) (x—j) ... (х— р+1) (/ Ф О-
Тогда а — обязательно целое число, иначе коэффициент полинома rt(x) при хР-1 не был бы целым. Осталось учесть, что r;(i) 1 (по модулю р). Мы получим сравнение
а,- (i—а) з= 1 (mod р),
где а, = JJ (t — j). Поскольку аг^0 (mod р), то это сравнение можно
i=^=i
решить относительно i—а и найти а.
Возможность представления всякой функции в форме, приведенной в указаниях к решению задачи, доказывается аналогично представимости в СДНФ. Действительно, произведение ^(х,) ... eg i(xn) равно 1 на наборе (6^ . . ., 6„) и нулю на остальных наборах.
Представимость любой функции в виде полинома следует теперь из представимости ец(х).
Пусть г;(х) — полином, совпадающий по модулю k с ец(х). Тогда в силу замечания, имеющегося в указании,
г,- (х) $ q; (х) х (х—I) ... (х—i+l)(*—i—1) ...
... (x—fe+l) + P(*) (mod ft),
где коэффициенты p(x) кратны ft, a (ji(x) имеет целые коэффициенты (доказывается индукцией по номерам коэффициентов, начиная со старшего). Имеем:
Т1 (')=--= (li (0 я/ (mod ft), а( = Д (/ — /),
/ Ф I
т. е. qi(i) должно удовлетворять сравнению а^г(«)=1 (mod к). Если / не будет взаимно просто с k, то этим свойством обладает также at и указанное сравнение не может иметь решений.
Каждому одночлену от п переменных можно поставить в соответствие набор показателей, в которых все переменные входят в одночлен (переменным, которые не входят в него, ставятся в соответствие нули). В результате получится взаимно однозначное соответствие между одночленами и ft-значными наборами длины п (показатели не превосходят к—1). Тогда полиному ставится в соответствие ft-значный набор (длины kn) его коэффициентов (они также не превосходят k—1).
kn
Число различных полиномов равно ft , т. е. этих полиномов столько же, сколько всех функций в fe-значной логике. Отсюда следует единственность представления.
Арифметическое сложение х-{-у, арифметическое умножение ху, константы. Операции рассматриваются по модулю ft.
Пусть имеется некоторый базис. Выразим через него функцию Шеффера — Вебба х\/у-\- 1. В этой суперпозиции участвует конечное число элементов базиса; с другой стороны, совокупность этих элементов должна совпадать со всем базисом, так как она является полной системой в силу полноты {х\/у Н}-
Замечание. Фактически из проведенного рассуждения следует, что если в некотором функционально замкнутом классе имеется конечная полная система, то любой базис в нем конечен.
Докажем индукцией по т, что если Фх—Ф, то Ф,„ Ф при всех т. Пусть Фга_!=Ф и пусть некоторая функция f получается из функций, входящих в Ф, не более чем за т шагов. На последнем шаге этой суперпозиции в функцию из Ф подставляются функции из Фт_1, т. е. из Ф (Фт-1—Ф)- Но тогда функция может быть получена за один шаг из функций Ф, т. е. /£Фъ а значит, [£Ф.
Итак, для выяснения вопроса о замкнутости множества нужно построить Ф] (построение этого множества проводится в конечное число шагов: нужно перебрать все одношаговые суперпозиции) и сравнить с Ф (оба эти множества конечны).
Пусть 1V — совокупность всех функций от х и у, входящих в Я;(Ф). Ясно, что функции из Я(Ф) сохраняют N. Если бы множество N не совпадало с множеством всех функций от х, у, то оно было бы замкнутым и должно было бы совпадать с одним из множеств Фг. Тогда А?(Ф)с czTi, чего не может быть, так как /?(Ф) не содержится ни в одном из классов Тг.
Для доказательства необходимости заметим, что пересечение Т; с совокупностью функций от х и у совпадает с Ф;, так как Ф; замкнуто и содержит х и у. Значит, Т; не может совпадать с совокупностью Р* всех функций.
Достаточно показать, что каждый функционально замкнутый класс содержится в одном из классов Qj. Но это действительно так, поскольку класс, не содержащийся ни в каком из классов Q/, является полной системой, а потому совпадает с совокупностью всех фуикций fe-значной логики.