数字逻辑中的最小完全集

数字逻辑中的最小完全集逻辑门 这里只研究单输入单输出 二输入单输出的逻辑门 单输入的逻辑门是非门 恒等的情况不考虑 真值表为 A B 0 1 1 0 逻辑门的类型 参见下表 A B C 0 0 c 1 0 1 c 2 1 0 c 3 1 1 c 4 任一种

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逻辑门

A B
0 1
1 0

逻辑门的类型,参见下表

A B C
0 0 c1
0 1 c2
1 0 c3
1 1 c4

任一种 c1,c2,c3,c4 的组合都构成一种逻辑门,所以理论上共有16个逻辑门(逻辑函数)。但是经常提到的只有与门(AND)、或门(OR)、与非门(NAND)、或非门(NOR)、同或门(XNOR)、异或门(XOR)等。它们的真值表分别是

与门

A B C
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

或门

A B C
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

与非门

A B C
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

或非门

A B C
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0

同或门

A B C
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1

异或门

A B C
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

通常只提到它们的原因是,这些逻辑门满足交换律,即AB=BA,或者说AB不可区分,表现在真值表上就是中间两行的输出值相等。

这样满足交换律的门还有两个,即输出全为0和输出全为1的,是无意义或者说是平凡的。所以说,以上六个逻辑门是所有的非平凡的对称逻辑门。除此之外,还有8个不满足对称性的逻辑门。

完全集

能够实现任何逻辑函数的逻辑门类型的集合,被称为逻辑门的完全集。 1

完全集的一个常见的例子是与门、或门、非门。但是这样的概念并不精炼,数学上我们还要求完全集具有最少的元素,即满足
1. 任一个逻辑函数,都可以集合中的逻辑门实现,即完备性
2. 集合中的一个元素不能被集合中其他元素实现,即独立性
我们称这样的集合为最小完全集
事实上我们马上会知道,{与门,或门,非门}并不是一个最小完全集。

那么哪些逻辑门可以构成最小完全集呢?


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我们提出以下命题:

与非门(或非门)一种可以构成完全集

与非门证明:

  1. 与非门一个输入端接高电平,得到非门
  2. 与非门串联一个非门,得到与门
  3. 两个非门输入到一个与非门上,得到或门

已知{与门,或门,非门}是完全集,所以与单独一种与非门可以实现所有逻辑函数,构成一个单元素的完全集(当然也就是最小完全集)。

或者考虑代数的表示

X NAND Y=(XY)=X+Y

1. X NAND 1=X+0=X
2. (X NAND Y) NAND 1=((XY))=XY
3. (X NAND 1) NAND (Y NAND 1)=X NAND Y=X+Y

或非门证明:

  1. 或非门一个输入端接低电平,得到非门
  2. 或非门串联一个非门,得到或门
  3. 两个非门输入到一个或非门上,得到与门

同或门(异或门)一种不能构成完全集

证法一 2数论方法
  1. 异或门不能构成完全集。
    XY = X+Y(mod2)
    仅用异或逻辑可以实现的所有逻辑函数可以表示成若干个 X,Y,1,0 的异或运算的累加,即 F==m1X+m2Y+m31+m40m1X+m2Y+m3
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