Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сборник задач по множествам, булевым функциям и математической логике. Учебное пособие.pdf
Задачи 31
x10 1 x1¬x
1
0 0 1 0 1
1 0 1 1 0
Таблица 4.1: Булевы функции от одной переменной
x1x2∧ ∨ → ⊕ ↔ ↑ ↓
0 0 0 0 1 0 1 1 1
0 1 0 1 1 1 0 1 0
1 0 0 1 0 1 0 1 0
1 1 1 1 1 0 1 0 0
Таблица 4.2: Основные булевы функции от двух переменных
представленных в таблицах 4.1 и 4.2, будем использовать и н ф и к с н у ю запись, в которой имя двухместной функции (логической связки) помещается
между первым и вторым аргументами.
При инфиксной записи считается, что булевы функции имеют следующий приоритет в порядке убывания:
→
являются правоассоциативными (скобки расставляются справа налево),
а ∧, ∨, ⊕ — левоассоциативными (скобки расставляются слева направо).
Формулой л о г и к и в ы с к а з ы в а н и й называется инфиксная формула над множеством булевых функций
множество переменныхVв множествоB, называется и н т е р п р е т а ц и е й.
З н а ч е н и е м формулы Φ с пропозициональными переменными
в интерпретацииIназывается значение соответствующей булевой функции
на аргументахI(
что формула в интерпретации и с т и н н а , иначе — л о ж н а.
Формула называется в ы п о л н и м о й, если при некоторых значениях
входящих в неё переменных её значение равно 1. Формула называется
т о ж д е с т в е н н о и с т и н н о й, если при любых значениях входящих в
неё переменных её значение равно 1, т о ж д е с т в е н н о л о ж н о й , если
при любых значениях входящих в неё переменных её значение равно 0.
Д л и н а ф о р м у л ы — это количество входящих в неё символов функций
и переменных.
x1), . . . ,I(
xn). Если значение формулы равно 1, то говорят,
¬, ∧, ∨, ⊕, →
{¬, ∧, ∨, →}
. При этом операции¬и
. Функция, отображающая
x1, . . . , x
n
32 4. Логика высказываний и булевы функции
Задачи
99.
Доказать, что количествоk-мерных граней вn-мерном кубе равно
k
F(n, k
) =
куба.
100.
Пусть¯a= (
точки)n-мерного единичного куба
между¯aи¯b
это расстояние удовлетворяет следующим свойствам:
(а)
неотрицательность:H(
только тогда, когда ¯a =¯b;
(б) симметричность: H(¯a,¯b) = H(¯b, ¯a);
n−k
C
·
2
n
. Найти общее количествоF(n) гранейn-мерного
a1, a2, . . . , an) и¯b
называется числоH(
= (
b1, b2, . . . , bn) — два набора (две
Bn. Р а с с т о я н и е м Х э м м и н г а
n
X
¯a,¯b
¯a,¯b)>
) =
0, при этомH(
i=1
|ai− bi|
. Доказать, что
¯a,¯b
) = 0 тогда и
~
(в) неравенство треугольника: H(¯a,¯b) 6 H (¯a, ¯c) + H (¯c,¯b).
101.
Пусть
¯a,¯b ∈ Bn— точкиn-мерного единичного куба,H(
¯a,¯b
) =k.
Доказать, что тогда
(а)
самый короткий путь по рёбрам
Bn, соединяющий¯aи¯b
, содер-
жит k рёбер;
(б) всего существует k! различных таких путей.
102.
Пусть в последовательности векторов
(n)
¯a
= (1
, . . . ,1)∈ Bnкаждый следующий элемент получен из преды-
(0)
¯a
= (0
, . . . ,
0),
(1)
¯a
, . . . ,
дущего заменой одного из нулей на единицу. Доказать, что система
уравненийH(
¯x, ¯a
(i)
) =
ki,i= 0
, . . . , n,ki∈ ω
, имеет не более одного
решения в Bn.
103.
Найти вершины единичного куба
B5, которые отстоят от вер-
шин (0,0,0,0,0), (1,0,0,0,0), (1,1,0,0,0), (1,1,1,0,0), (1,1,1,1,0),
(1, 1, 1, 1, 1) на указанные расстояния соответственно:
(а) 2, 1, 2, 3, 2, 3;
(б) 3, 4, 5, 4, 3, 2;
104.
Какие подмножества вершин
(в) 4, 3, 2, 3, 4, 5;
(г) 3, 2, 1, 2, 3, 2;
B4соответствуют следующим бу-
(д) 2, 3, 2, 3, 2, 3;
(е) 2, 3, 1, 3, 2, 3.
левым функциям:
~
~
~
~
Задачи 33
(а) f1(x1, x2, x3, x4) = 1 ⇔ x1= 0;
(б) f2(x1, x2, x3, x4) = 1 ⇔ x4= 1;
(в) f3(x1, x2, x3, x4) = 1 ⇔ x1+ x2> x3+ x4;
(г) f4(x1, x2, x3, x4) = 1 ⇔ x1x2= 0 или x3x4= 1?
105.
Построить таблицы значений для следующих булевых функций:
(а) f1(x1, x2, x3) = 1 ⇔ x1+ x3> x2;
(б) f2(x1, x2, x3) = 1 ⇔ сумма x1+ x2+ x3чётна;
(в) f3(x1, x2, x3) = 0 ⇔ (x1= x2или x1= x3);
(
(г) f4(x1, x2, x3) =
x2, если x1= 1;
x3, иначе.
106.
Назовём триггером булеву функциюTс несколькими аргумен-
тами, для которой выполненоT(q,0
, . . . ,
0) =qдля любого
Выписать всевозможные
(а) RS
-триггеры
(3)
T
, для которых всегда выполнены равенства
T (q, 1, 0) = 0 и T (q, 0, 1) = 1;
(б) D
-триггеры
(3)
T
, для которых всегда выполнены равенства
T (q, d, 0) = q и T (q, d, 1) = d.
107.
Для каждой из следующих формул определить её глубину и
построить таблицу задаваемой ею функции:
(а) Ψ1= ((x1→ ¬x3) ∨(x2⊕ x3));
q ∈ B
~
~
.
~
(б) Ψ2= (¬(x1↑ x2) ↔ (¬x1∧ x2));
(в) Ψ3= ((x2⊕ ¬x3) ∧((x1∨ x2) → (x1↔ ¬x3)));
(г) Ψ4= ((¬x1∧ x2) ↓(x1→ ¬x3));
(д) Ψ5= (((x1⊕ x2) ⊕x3) ↑(¬x2↓ x3)).
108.
Определить, какие из следующих формул логики высказываний
являются тождественно истинными:
• Ψ1= ((x → ¬y) → ((¬y → z) → (x → z)));
~
34 4. Логика высказываний и булевы функции
• Ψ2= ((x → ¬y) → ((x → z) → (¬y → z)));
• Ψ3= ((x → ¬y) → ((x → (¬y → z)) → (x → z)));
• Ψ4= ((¬x → y) → ((¬y → z) → (x → z))).
109.
В представленной ниже таблице показано кодирование десятич-
ных цифр от 0 до 9 с помощью четырёх переменных A, B, C, D ∈ B:
Цифра A B C D
0 0 0 0 0
1 0 0 0 1
2 0 0 1 0
3 0 0 1 1
4 0 1 0 0
Не перечисленные в таблице варианты значенийA,B,CиDявляются
ошибочными кодами. Какие из следующих булевых формул задают
множество всех ошибочных кодов:
(а) (¬A → (B ∧ C));
(б) ((A ∧ B) ∨(C ∧ D));
(в) ((A ∧ B) ∨(A ⊕C ));
110.
Используя таблицу кодов из предыдущей задачи и предполагая,
что код не является ошибочным, построить формулу с четырьмя
переменнымиA,B,CиD, которая будет иметь значение 1 тогда и
только тогда, когда кодируемое число
Продолжение
5 0 1 0 1
6 0 1 1 0
7 0 1 1 1
8 1 0 0 0
9 1 0 0 1
(г) ((A ∧ ¬B) ∨(C ∧ D));
(д) ((A ∧ B) ∨(A ∧C ));
(е) (A ∧ (B ⊕ C)) ?
~
~
(а) равно 6;
(б) делится на 4;
(в) делится на 3;
111.
Переменные (
x1и
x2соответственно (см. задачу 109). Предполагая, что оба кода
не являются ошибочными, записать формулу, которая будет иметь
значение 1 тогда и только тогда, когда
A1, B1, C1, D1) и (
(г) является простым;
(д) является составным;
(е) является числом Фибоначчи.
A2, B2, C2, D2) кодируют числа
~
Задачи 35
(а) x1= x2; (б) x1< x2; (в) x16 x2;
112.
Переменные (
C1, D1) и (
C2, D2) кодируют числа
x1и
x2соответ-
ственно из множества{0,1,2,3}(см. задачу 109). Записать формулы
pA,
pB,
pCи
pD, значения которых кодируют произведение этих чисел.
113.
Какие из следующих условий можно выразить булевыми формулами от переменных
p1,
p2,
p3,
p4, использующими лишь логические
связки ∧ и ∨?
(а) Не менее двух переменных из p1, p2, p3, p4имеют значение 1.
(б) Не все из переменных из p1, p2, p3, p4имеют значение 0.
(в)
Нечётное количество переменных из
p1,
p2,
p3,
p4имеют значе-
ние 1.
114.
Назовём наборыα= (
α1, . . . , αn)
∈ Bnиβ= (
β1, . . . , βn)
∈ B
с о с е д н и м и, если они находятся в соседних строках таблицы для
функции отnпеременных, то есть представляют двоичные записи
чисел iαи iβ, для которых |iα− iβ| = 1.
Найти количество функций в
Pn, которые на каждой паре соседних
наборов принимают
(а) одинаковые значения;
(б) разные значения.
115.
Найти количествоn-местных булевых функций, принимающих
значение 1 ровно на k наборах.
116.
Найти количество функций в
Pn, которые меняют своё значение
при изменении любого аргумента.
117.
Найти количество функций в
Pn, коммутативных по любой паре
аргументов, то есть значение которых не меняется при перестановке
произвольных аргументов.
118.
Назовём наборыα= (
п р о т и в о п о л о ж н ы м и , если
α1, . . . , αn)
αi+
∈ Bnиβ= (
β1, . . . , βn)
∈ B
βi= 1 для всякогоi(иначе
говоря, αi= 1 в том и только том случае, когда βi= 0).
Найти количество функций в
Pn, которые на каждой паре проти-
воположных наборов принимают разные значения.
~
~
~
n
~
~
~
~
n
~
36 4. Логика высказываний и булевы функции
119.
Пустьn= 2k. Назовём наборα= (
если
αi=
α
для всехi= 1
k+i
набора
α0размераk. Найти количество функций в
, . . . , k
α1, . . . , αn)
, то естьα=
∈ Bnп а р н ы м,
α0α0для некоторого
Pn, которые на
всех парных наборах принимают одинаковое значение.
120.
Определить, сколько всего трёхместных булевых функций можно построить, используя не более одной связки из таблиц 4.1 и 4.2
на стр. 31 и при том не более одного раза.
121.
ПустьF— конечное множество булевых функций,ε— положительная, сколь угодно малая константа. Доказать, что при достаточно
n
больш´ихnформулами надFс количеством символов менее
можно представить не более 2
n
2
1−ε
/
n
булевых функций. Таким обра-
2
/
зом, почти все булевы функции представляются только «длинными»
формулами.
122.
Аргумент
если значениеfникогда не меняется при изменении значения
xiбулевой функцииfназывается ф и к т и в н ы м ,
xi. Най-
ти количествоn-местных булевых функций, не имеющих фиктивных
аргументов, для n = 2, 3, 4.
123. Индукцией по построению формулы Φ доказать неравенство
~
~
n
~
~
depth(Φ)
x
6 depth Φ + depth Ψ.
Ψ
Привести пример, когда неравенство будет строгим.
124.
Администратор базы данных обнаружил, что одна или несколько из трёх записей его базы A, B и C ошибочна. Он установил, что
(а) если запись B корректна, то A ошибочна;
(б)
хотя бы одна запись из пары
B, C
корректна и хотя бы одна
запись из пары A, C корректна;
(в)
еслиAошибочна, то хотя одна из записейBилиCкорректна
(но не обе вместе).
Описать знания администратора в виде формулы логики высказываний. Может ли он сделать вывод, что записьBошибочна? Можно ли
достоверно утверждать, что ошибочная запись единственна?
~
~
Задачи 37
125.
Программист Пётр использовал в своей программе на языке
C три целочисленные переменные
граммы он поместил условный оператор:
if(x * y >= 0 || x * z >= 0) x = 1; else x = 2;
Проанализировав свою программу, Пётр установил, что перед выполнением этого оператора выполнены следующие условия:
(а) если z < 0, то x < 0 или y > 0;
(б) x > 0 или y < 0;
(в)
если
y <
0, то хотя бы одна из переменныхxилиzотрицательна,
но не обе вместе.
Описать знания Петра в виде формулы логики высказываний. Может ли он оптимизировать программу, заменив указанный условный
оператор на присваивание
«да», то на какое?
126.
Комитет состоит из пяти членов. Решения принимаются большинством голосов, однако, если председатель голосует «против», то
решение не принимается. Построить формулу логики высказываний,
зависящую от пяти пропозициональных переменных
(
xiозначает, чтоi-й член комитета голосует «за»,yозначает, что
председатель голосует «за»), значение которой равно 1 тогда и только
тогда, когда в результате голосования решение принимается.
127.
В каждом из следующих текстов выделить элементарные высказывания, обозначить их пропозициональными переменными и
записать формулу логики высказываний, отражающую содержание
текста.
x = 1;
x, y, z
. В определённом месте про-
или на присваивание
x = 2;
x1, x2, x3, x4, y
? Если
~
~
(а)
Миша решил сделать небольшой ремонт в квартире и поклеить
новые обои или покрасить пол. Вместе с обоями нужно будет
обновить ламинат, сменить двери и стеклопакет в окне. После
покраски пола нужно установить натяжной потолок, новую
люстру и мебель. Если обновить ламинат, то тоже придётся
покупать новую мебель. Старые обои нельзя оставлять со старой
мебелью, а старую мебель — со старой люстрой.
38 4. Логика высказываний и булевы функции
(б)
Если будет мороз, то будет солнечно или при пасмурной погоде
пойдёт снег, а если мороза не будет, то будет солнечно или при
пасмурной погоде пойдёт дождь. В случае дождя или снега будет
сыро, а в случае дождя — ещё и грязно. Если будет солнечно,
то не будет ни сырости, ни грязи.
(в)
Когда Вова дома, то его кошка ест или спит, а если Вовы нет, то
она ещё и играет. Если кошка ест, то нужно купить корм. Если
кошка играет, то придётся покупать новую мебель или новые
обои. За кормом нужно идти в зоомагазин «Всё для кошки», а
за мебелью или обоями — в хозяйственный магазин «Всё для
дома». В любой из магазинов придётся ехать на такси. Вова не
поедет на такси в магазин «Всё для дома».
128.
Детектив Ш. Холмс подозревает в совершении преступления
трёх лиц: A, B и C. Он установил, что
(а) если B преступник, то и C является преступником;
(б) кто-то из пары A, C является преступником, но не оба вместе;
(в) если C не преступник, то и A не преступник.
~
Описать знания Ш. Холмса в виде формулы логики высказываний
и постройте таблицу её значений. Может ли он сделать вывод, что
C
является преступником? Можно ли достоверно утверждать, что
преступник действовал в одиночку?
129.
Детектив Э. Пуаро подозревает в совершении преступления трёх
лиц: A, B и C. Они дали следующие показания:
• A : если B преступник, то C невиновен;
• B : если A виновен, то и C является преступником;
• C : A преступник.
Э. Пуаро установил, что (а) еслиAсказал правду, тоBсоврал, и
(б) показанияCложны. Описать знания Э. Пуаро в виде формулы
логики высказываний и постройте таблицу её значений. Может ли он
сделать вывод, чтоBявляется преступником? Мог ли преступник
быть один?
~
~
Задачи 39
130.
Пусть во всех зоопарках, где есть львы и носороги, нет жирафов;
во всех зоопарках, где есть носороги и нет жирафов, есть львы;
наконец, во всех зоопарках, где есть львы и жирафы, есть и носороги.
Как вы думаете, может ли существовать такой зоопарк, в котором
есть львы, но нет ни жирафов, ни носорогов?
131.
Анна, Беатриса и Вера как-то обнаружили, что все они в одинаковых джинсах. Известно, что у Анны есть джинсы с карманами,
узкие джинсы и вылинявшие джинсы без карманов; у Беатрисы —
джинсы без карманов и вылинявшие узкие джинсы с карманами. И
наконец, Вера имеет джинсы-клёши и синие узкие джинсы с карманами. Как выглядят их одинаковые джинсы?
132.
Один студент, плохо знавший английский язык, попал на стажировку в Англию. Ему надо было попасть в Манчестер. Он проголосовал на шоссе и остановил машину, где находились отец, мать и
дочь, которые ответили ему на вопрос об их поездке. Каждый произнесённый ими ответ он перевёл двумя разными способами и не мог
решить, каков смысл фразы на самом деле. Вот, что они говорили
(второй возможный смысл указан в скобках).
~
~
Отец: мы отправляемся в Манчестер (мы едем из Ньюкасла).
Мать:
Дочь: мы не едем из Ньюкасла (мы остановились в Ливерпуле).
Следует ли студенту садиться в эту машину?
133.
чудес» (менее известно, что он был математиком), любил задавать
следующую задачу из четырёх фраз: «Из двух одно: или злоумышленник уехал в экипаже, или свидетель ошибся. Если злоумышленник
имел сообщника, то он уехал в экипаже. У злоумышленника не было
ни сообщника, ни ключа; или у него был сообщник и был ключ. У
злоумышленника был ключ». Какой вывод отсюда можно сделать?
мы не отправляемся в Манчестер, а едем из Ньюкасла (мы
не остановились в Ливерпуле и едем из Ньюкасла).
Льюис Кэрролл, автор широко известной книги «Алиса в Стране
~
~
40 4. Логика высказываний и булевы функции
134. Профессор экономики сформулировал студентам три правила:
(а)
если инвестиции не увеличатся, то возрастут правительственные
расходы или возникнет безработица;
(б)
если правительственные расходы не возрастут, то налоги сни-
зятся;
(в)
если налоги снизятся и инвестиции увеличатся, то не возникнет
безработица.
Оказалось, что в данный момент инвестиции не увеличились.
Могут ли студенты сделать вывод о том, что правительственные
расходы возрастут?
~