阶段 2 · 仅逻辑章节

命题逻辑与
谓词逻辑

本页只覆盖离散数学的前两章:把自然语言转化为形式表达、判断真假与等价、完成推理和量词分析。

CHAPTER 01

命题逻辑 ⭐⭐⭐ 真值表 / 等值演算 / 范式

命题是有唯一真值的陈述句;原子命题不可再拆,复合命题由联结词连接。问句、命令和真值随对象变化的句子本身不是命题。

五个联结词

\(\neg P\) 否定;\(P\land Q\) 合取;\(P\lor Q\) 析取;\(P\to Q\) 蕴含;\(P\leftrightarrow Q\) 等价。

公式分类

永真式任意赋值真;永假式任意赋值假;可满足式至少有一个赋值为真。

真值表与核心等价式

\(P\)\(Q\)\(P\land Q\)\(P\lor Q\)\(P\to Q\)\(P\leftrightarrow Q\)
TTTTTT
TFFTFF
FTFTTF
FFFFTT
\(P\to Q\equiv\neg P\lor Q,\quad\neg(P\land Q)\equiv\neg P\lor\neg Q,\quad\neg(P\lor Q)\equiv\neg P\land\neg Q\)

为什么蕴含在前件假时为真?“若 \(P\) 则 \(Q\)”只禁止 \(P\) 真而 \(Q\) 假的反例;前件假时没有违反承诺。等价演算中先消去 \(\to,\leftrightarrow\),再用德摩根律和分配律最稳定。

题型:判断等价/永真式。变量少时列真值表;变量多时做等值演算。两公式各行真值完全相同才逻辑等价;某公式最后化为 \(T\) 才是永真式。
例题:证明 \(\neg(P\to Q)\equiv P\land\neg Q\)。
\(\neg(P\to Q)\equiv\neg(\neg P\lor Q)\equiv\neg\neg P\land\neg Q\equiv\boxed{P\land\neg Q}\)。每一步分别使用蕴含等价、德摩根律、双重否定律。

对偶、范式与主范式

对偶式在不含否定的表达式中交换 \(\land\leftrightarrow\lor\)、\(T\leftrightarrow F\)。析取范式(DNF)是若干合取项的析取;合取范式(CNF)是若干析取项的合取。主析取范式取真值表中为真的行:每一行写一个最小项;主合取范式取为假的行:每一行写一个最大项。

m_i:\text{该行变量为 T 取本身、为 F 取否定;}\qquad M_i:\text{该行变量为 F 取本身、为 T 取否定}
练习 1(基础):求 \((P\to Q)\land P\) 的等价简式

思路:先去蕴含。
\((\neg P\lor Q)\land P=(\neg P\land P)\lor(Q\land P)=F\lor(P\land Q)=\boxed{P\land Q}\)。
易错:分配后不能遗漏 \(\neg P\land P=F\)。

练习 2(提高):写出 \(P\to Q\) 的主析取范式

仅 \(P=T,Q=F\) 时为假,真值行为 \(TT,FT,FF\)。对应最小项为 \(P\land Q,\ \neg P\land Q,\ \neg P\land\neg Q\)。
\(\boxed{(P\land Q)\lor(\neg P\land Q)\lor(\neg P\land\neg Q)}\)。最小项编号若按 \(PQ\) 二进制从 \(00\) 起,为 \(\Sigma m(0,1,3)\)。

KARNAUGH MAP

卡诺图化简 ⭐⭐⭐

卡诺图将相邻最小项排成 Gray 码顺序,使相邻格只改变一个变量。2 变量顺序为 \(0,1\);3/4 变量的两位轴顺序为 \(00,01,11,10\),不是普通二进制 \(00,01,10,11\)。

\(\text{圈组大小必须为 }1,2,4,8,\ldots;\quad\text{圈越大,组内变化的变量越多,被消掉的变量越多。}\)
规则原因 / 操作
边界相邻、四角相邻卡诺图的行列首尾相接,Gray 码只差一位
允许重叠圈一个 1 可服务于多个更大圈,获得更简表达式
无关项 \(d\)可按 0 或 1 使用;只在能扩大圈时纳入
例题:三变量函数在最小项 \(m(1,3,5,7)\) 为 1。二进制分别为 \(001,011,101,111\),四格共同不变的只有 \(C=1\),故 \(\boxed{F=C}\)。这说明四格圈消掉了 \(A,B\)。
练习 3(综合):四变量图中一整行 \(AB=01\) 的四格为 1,化简结果?

该行固定 \(A=0,B=1\),列变量 \(C,D\) 在四格中全变化,故均被消掉,\(\boxed{\neg A\land B}\)。边界两列仍相邻,不能因位置分开而拆成小圈。

易错:圈不能含 3、5、6 个格;优先最大圈、最少圈;主析取范式先来自真值表,不必先画卡诺图。
CHAPTER 02

谓词逻辑 ⭐⭐⭐ 符号化 / 量词否定 / 辖域

谓词 \(P(x)\) 含变量,给定个体域和变量值后才有真值;量词把变量约束为对域内全部或某些个体的断言。

基本对象

个体域:讨论范围;\(P(x)\):谓词;\(\forall x\):对所有;\(\exists x\):至少存在一个。

变量与辖域

落在量词辖域内的同名变量是约束变量;不在任何同名量词辖域内的是自由变量。

\(\neg\forall x\,P(x)\equiv\exists x\,\neg P(x),\qquad\neg\exists x\,P(x)\equiv\forall x\,\neg P(x)\)

直观:“并非所有人都及格”只需找到“至少一人未及格”;“不存在人未及格”等价于“所有人都及格”。否定量词时必须翻转量词并否定谓词。

量词顺序:\(\forall x\exists y\,R(x,y)\) 表示每个 \(x\) 都可有自己的 \(y\);\(\exists y\forall x\,R(x,y)\) 表示同一个 \(y\) 对所有 \(x\) 都适用。后者通常强得多。例如“每个学生有一本书”不推出“有一本书属于每个学生”。
自然语言符号化:先写清个体域和谓词含义;“所有”用 \(\forall\),“存在/有一个”用 \(\exists\);“仅当”注意方向;最后读回中文检查量词顺序与否定位置。
练习 4(基础):写出“并非每个实数都有平方根是实数”的正确否定结构

若 \(P(x)\) 表示“\(x\) 有实平方根”,则“并非每个 \(x\) 有此性质”为 \(\boxed{\exists x\,\neg P(x)}\)。在实数域可取 \(x=-1\) 作为见证。易错:不能写成 \(\forall x\,\neg P(x)\)。

练习 5(提高):在 \(\mathbb R\) 上,符号化“每个实数都有一个相反数”

令 \(R(x,y)\) 表示 \(x+y=0\)。同一个 \(y\) 不必服务所有 \(x\),故 \(\boxed{\forall x\exists y\,(x+y=0)}\),而不是 \(\exists y\forall x\,(x+y=0)\)。

练习 6:找出 \(\forall x(P(x,y)\to\exists yQ(x,y))\) 中的自由变量

最外层 \(\forall x\) 约束所有 \(x\);右侧 \(\exists y\) 只约束 \(Q(x,y)\) 内的 \(y\),而 \(P(x,y)\) 的 \(y\) 不在其辖域内。因此 \(\boxed{P\text{ 中的 }y\text{ 是自由变量}}\)。同一字母在不同辖域可同时有自由、约束出现。

STAGE 02 SUMMARY

阶段总结与考前速查

必须记忆必须理解必须会做
\(P\to Q\equiv\neg P\lor Q\)、德摩根律、量词否定蕴含的唯一假例;量词顺序决定含义;大圈消变量真值表、等值演算、主范式、卡诺图、符号化与辖域
本阶段易错:把 \(P\to Q\) 当作 \(Q\to P\);Gray 码按普通二进制排;量词否定只翻量词不否定谓词;把 \(\forall x\exists y\) 与 \(\exists y\forall x\) 混同。