lunes, 21 de octubre de 2019

Algebra de Boole

¿Qué es el Álgebra Booleana?

Es una rama especial del álgebra que se usa principalmente en electrónica digital. El álgebra booleana fue inventada en el año 1854 por el matemático inglés George Boole.
El álgebra de Boole es un método para simplificar los circuitos lógicos (o a veces llamados circuitos de conmutación lógica) en electrónica digital.
Por lo tanto, también se llama como "Cambio de álgebra". Podemos representar el funcionamiento de los circuitos lógicos utilizando números, siguiendo algunas reglas, que son bien conocidas como "Leyes del álgebra de Boole".
También podemos hacer los cálculos y las operaciones lógicas de los circuitos aún más rápido siguiendo algunos teoremas, que se conocen como "Teoremas del álgebra de Boole". Una función booleana es una función que representa la relación entre la entrada y la salida de un circuito lógico.
La lógica booleana solo permite dos estados del circuito, como True y False. Estos dos estados están representados por 1 y 0, donde 1 representa el estado "Verdadero" y 0 representa el estado "Falso".
Lo más importante para recordar en el álgebra de Boole es que es muy diferente al álgebra matemática regular y sus métodos. Antes de aprender sobre el álgebra de Boole, vamos a contar  un poco sobre la historia del álgebra de Boole y su invención y desarrollo.

Leyes e identidades del álgebra booleana

Al formular expresiones matemáticas para circuitos lógicos es importante tener conocimiento del álgebra booleana, que define las reglas para expresar y simplificar enunciados lógicos binarios. Una barra sobre un símbolo indica la operación booleana NOT, que corresponde a la inversión de una señal. 

Leyes fundamentales

OR
A + 0 A
A + 1 1
A + A A
A + A 1
AND
A + 0 0
A + 1 A
A + A A
A + A 0
NOT
 = A

Los dos puntos en la A corresponde a dos barras de negación.

Leyes conmutativas

A + B B + A
A ∙ B B ∙ A

Leyes asociativas

(A + B) + C A + (B + C)
(A ∙ B) ∙ C A ∙ (B ∙ C)

Leyes distributivas

A ∙ (B + C) (A ∙ B) + (A ∙ C)
A + (B ∙ C) (A + B) ∙ (A + C)

Otras identidades útiles

A + (A ∙ B) A
A ∙ (A +B) A
A + (A ∙ B) A + B
(A + B) ∙ (A + BA
(A + B) ∙ (A + C) A + (B ∙ C)
A + B + (A ∙ BA + B
(A ∙ B) + (B ∙ C) + (B ∙ C) (A ∙ B) + C
(A ∙ B) + (A ∙ C) + (B ∙ C) (A ∙ B) + (B ∙ C)

Ejemplo:

Se va a simplificar la siguiente expresión aplicando las leyes e identidades booleanas mencionadas:
E = (X ∙ Y ∙ Z) + (Y ∙ Z) +(X ∙ Y)
Es posible aplicar la ley asociativa y la ley fundamental de que A ∙ 1 = A:
E = X ∙ (Y ∙ Z) + 1 ∙ (Y ∙ Z) +(X ∙ Y)
Ahora es posible factorizar el termino (Y ∙ Z):
E = (X +1) ∙ (Y ∙ Z) +(X ∙ Y)
Dado que A + 1 = 1 según las leyes fundamentales por lo tanto X + 1 = 1:
E = 1 ∙ (Y ∙ Z) +(X ∙ Y)
Al realizar la operación tendremos ya simplificada la expresión:
E = (Y ∙ Z) +(X ∙ Y)
Aún podemos simplificar la expresión al factorizar Y:
E = Y ∙ (Z +X)

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miércoles, 2 de octubre de 2019

lógica proposicional

Lógica proposicional

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Una lógica proposicional, o a veces lógica de orden cero, es un sistema formal cuyos elementos más simples representan proposiciones, y cuyas constantes lógicas, llamadas conectivas lógicas, representan operaciones sobre proposiciones, capaces de formar otras proposiciones de mayor complejidad.
Las lógicas proposicionales carecen de cuantificadores o variables de individuo, pero tienen variables proposicionales (es decir, que se pueden interpretar como proposiciones con un valor de verdad definido), de ahí el nombre proposicional. Los sistemas de lógica proposicional incluyen además conectivas lógicas, por lo que dentro de este tipo de lógica se puede analizar la inferencia lógica de proposiciones a partir de proposiciones, pero sin tener en cuenta la estructura interna de las proposiciones más simples.​
Como las lógicas proposicionales no tienen cuantificadores o variables de individuo, cualquier secuencia de signos que constituya una fórmula bien formada admite una valoración en la proposición es verdadera o falsa dependiendo del valor de verdad asignado a las proposiciones que la compongan. Esto implica que cualquier fórmula bien formada define una función proposicional. Por tanto, cualquier sistema lógico basado en la lógica proposicional es decidible y en un número finito de pasos se puede determinar la verdad o falsedad semántica de una proposición. Esto hace que la lógica proposicional sea completa y con una semántica muy sencilla de caracterizar.
Considérese el siguiente argumento:
  1. Mañana es miércoles o mañana es jueves.
  2. Mañana no es jueves.
  3. Por lo tanto, mañana es miércoles.
Es un argumento válido. Quiere decir que es imposible que las premisas (1) y (2) sean verdaderas y la conclusión (3) falsa.
Sin embargo, a pesar de que el argumento sea válido, esto no quiere decir que la conclusión sea verdadera. En otras palabras, si las premisas son falsas, entonces la conclusión también podría serlo. Pero si las premisas son verdaderas, entonces la conclusión también lo es. La validez del argumento no depende del significado de las expresiones «mañana es miércoles» ni «mañana es jueves», sino de la estructura misma del argumento. Estas premisas podrían cambiarse por otras y el argumento permanecería válido. Por ejemplo:
  1. Hoy está soleado o está nublado.
  2. Hoy no está nublado.
  3. Por lo tanto, hoy está soleado.
La validez de los dos argumentos anteriores depende del significado de las expresiones «o» y «no». Si alguna de estas expresiones se cambia por otra, entonces los argumentos podrían dejar de ser válidos. Por ejemplo, considérese el siguiente argumento inválido:
  1. Ni está soleado ni está nublado.
  2. No está nublado.
  3. Por lo tanto, está soleado.
Estas expresiones como «o» y «no», de las que depende la validez de los argumentos, se llaman conectivas lógicas. En cuanto a expresiones como «está nublado» y «mañana es jueves», lo único que importa de ellas es que tengan un valor de verdad. Es por esto que se las reemplaza por simples letras, cuya intención es simbolizar una expresión con valor de verdad cualquiera. A estas letras se las llama variables proposicionales, y en general se toman del alfabeto latino, empezando por la letra p (de «proposición») luego qrs, etc. Es así que los dos primeros argumentos de esta sección se podrían reescribir así:
  1. p o q
  2. No q
  3. Por lo tantop
Y el tercer argumento, a pesar de no ser válido, se puede reescribir así:
  1. Ni p ni q
  2. No q
  3. Por lo tantop

Conectivas lógicas

A continuación hay una tabla que despliega todas las conectivas lógicas que ocupan a la lógica proposicional, incluyendo ejemplos de su uso en el lenguaje natural y los símbolos que se utilizan para representarlas en lenguaje formal.
ConectivaExpresión en el
lenguaje natural
EjemploSímbolo en
este artículo
Símbolos
alternativos
NegaciónnoNo está lloviendo.
ConjunciónyEstá lloviendo y está nublado.&
DisyunciónoEstá lloviendo o está soleado.|
Condicional materialsi... entoncesSi está soleado, entonces es de día.
Bicondicionalsi y sólo siEstá nublado si y sólo si hay nubes visibles.
Disyunción opuestani... niNi está soleado ni está nublado.
Disyunción exclusivao bien... o bienO bien está soleado, o bien está nublado.
En la lógica proposicional, las conectivas lógicas se tratan como funciones de verdad. Es decir, como funciones que toman conjuntos de valores de verdad y devuelven valores de verdad. Por ejemplo, la conectiva lógica «no» es una función que si toma el valor de verdad V, devuelve F, y si toma el valor de verdad F, devuelve V. Por lo tanto, si se aplica la función «no» a una letra que represente una proposición falsa, el resultado será algo verdadero. Si es falso que «está lloviendo», entonces será verdadero que «no está lloviendo».
El significado de las conectivas lógicas no es nada más que su comportamiento como funciones de verdad. Cada conectiva lógica se distingue de las otras por los valores de verdad que devuelve frente a las distintas combinaciones de valores de verdad que puede recibir. Esto quiere decir que el significado de cada conectiva lógica puede ilustrarse mediante una tabla que despliegue los valores de verdad que la función devuelve frente a todas las combinaciones posibles de valores de verdad que puede recibir.
NegaciónConjunciónDisyunciónCondicionalBicondicionalDisyunción exclusiva

Leyes notables en lógica

Entre las reglas de la lógica proposicional clásica algunas de la más notables son listadas a continuación:
Otras leyes como el principio del tercero excluido son admisibles en lógica clásica, pero en lógica intuicionista y con fines a sus aplicaciones matemáticas no existe un equivalente del tercero excluido, por ejemplo.

Límites de la lógica proposicional

La maquinaria de la lógica proposicional permite formalizar y teorizar sobre la validez de una gran cantidad de argumentos. Sin embargo, también existen argumentos que son intuitivamente válidos, pero cuya validez no se puede probar por la lógica proposicional. Por ejemplo, considérese el siguiente argumento:
  1. Todos los hombres son mortales.
  2. Sócrates es un hombre.
  3. Por lo tanto, Sócrates es mortal.
Como este argumento no contiene ninguna de las conectivas «no», «y», «o», etc., según la lógica proposicional, su formalización será la siguiente:
  1. p
  2. q
  3. Por lo tanto, r
Pero esta es una forma de argumento inválida, y eso contradice nuestra intuición de que el argumento es válido. Para teorizar sobre la validez de este tipo de argumentos, se necesita investigar la estructura interna de las variables proposicionales. De esto se ocupa la lógica de primer orden. Otros sistemas formales permiten teorizar sobre otros tipos de argumentos. Por ejemplo la lógica de segundo orden, la lógica modal y la lógica temporal.

Dos sistemas formales de lógica proposicional[editar]

A continuación se presentan dos sistemas formales estándar para la lógica proposicional. El primero es un sistema axiomático simple, y el segundo es un sistema sin axiomas, de deducción natural.

Sistema axiomático[editar]

Alfabeto[editar]

El alfabeto de un sistema formal es el conjunto de símbolos que pertenecen al lenguaje del sistema. Si L es el nombre de este sistema axiomático de lógica proposicional, entonces el alfabeto de L consiste en:
  • Una cantidad finita pero arbitrariamente grande de variables proposicionales. En general se las toma del alfabeto latino, empezando por la letra p, luego qr, etc., y utilizando subíndices cuando es necesario o conveniente. Las variables proposicionales representan proposiciones como "está lloviendo" o "los metales se expanden con el calor".
  • Un conjunto de operadores lógicos: 
  • Dos signos de puntuación: los paréntesis izquierdo y derecho. Su única función es desambiguar ciertas expresiones ambiguas, en exactamente el mismo sentido en que desambiguan la expresión 2 + 2 ÷ 2, que puede significar tanto (2 + 2) ÷ 2, como 2 + (2 ÷ 2).

Gramática[editar]

Una vez definido el alfabeto, el siguiente paso es determinar qué combinaciones de símbolos pertenecen al lenguaje del sistema. Esto se logra mediante una gramática formal. La misma consiste en un conjunto de reglas que definen recursivamente las cadenas de caracteres que pertenecen al lenguaje. A las cadenas de caracteres construidas según estas reglas se las llama fórmulas bien formadas. Las reglas del sistema L son:
  1. Las variables proposicionales del alfabeto de L son fórmulas bien formadas.
  2. Si  es una fórmula bien formada de L, entonces  también lo es.
  3. Si  y  son fórmulas bien formadas de L, entonces  y  también lo son.
  4. Sólo las expresiones que pueden ser generadas mediante las cláusulas 1 a 3 en un número finito de pasos son fórmulas bien formadas de L.
Según estas reglas, las siguientes cadenas de caracteres son ejemplos de fórmulas bien formadas:
Y los siguientes son ejemplos de fórmulas mal formadas[cita requerida]:
FórmulaErrorCorrección
Sobran paréntesis
Sobran paréntesis
Sobran paréntesis
Faltan paréntesis
Faltan paréntesis
Por otra parte, dado que la única función de los paréntesis es desambiguar las fórmulas, en general se acostumbra omitir los paréntesis externos de cada fórmula, ya que estos no cumplen ninguna función. Así por ejemplo, las siguientes fórmulas generalmente se consideran bien formadas:
Otra convención acerca del uso de los paréntesis es que las conjunciones y las disyunciones tienen «menor jerarquía» que los condicionales materiales y los bicondicionales. Esto significa que dada una fórmula sin paréntesis, las conjunciones y las disyunciones deben agruparse antes que los condicionales materiales y los bicondicionales. Por ejemplo:
FórmulaLectura correctaLectura incorrecta
Estas convenciones son análogas a las que existen en el álgebra elemental, donde la multiplicación y la división siempre deben resolverse antes que la suma y la resta. Así por ejemplo, la ecuación 2 + 2 × 2 podría interpretarse como (2 + 2) × 2 o como 2 + (2 × 2). En el primer caso el resultado sería 8, y en el segundo caso sería 6. Pero como la multiplicación siempre debe resolverse antes que la suma, el resultado correcto en este caso es 6, no 8.

Axiomas[editar]

Los axiomas de un sistema formal son un conjunto de fórmulas bien formadas que se toman como punto de partida para demostraciones ulteriores. Un conjunto de axiomas estándar es el que descubrió Jan Łukasiewicz:

Una regla de inferencia es una función que va de conjuntos de fórmulas a fórmulas. Al conjunto de fórmulas que la función toma como argumento se lo llama premisas, mientras que a la fórmula que devuelve como valor se la llama conclusión. En general se busca que las reglas de inferencia transmitan la verdad de las premisas a la conclusión. Es decir, que sea imposible que las premisas sean verdaderas y la conclusión falsa. En el caso de L, la única regla de inferencia es el modus ponens, el cual dice:
Recordando que  y  no son fórmulas, sino metavariables que pueden ser reemplazadas por cualquier fórmula bien formada.

Deducción natural[editar]

Dejar , donde , se define como:
  • Alpha conjunto de  es un conjuntos finito de símbolos que es lo suficientemente grande como para satisfacer las necesidades de una discusión dada, por ejemplo:
  • Omega conjunto de  como partición de :
En el siguiente ejemplo es de un cálculo proposicional, las reglas presentadas de transformación tienen que ser interpretadas como reglas de inferencia de un sistema de deducción natural. El sistema particular aquí presentado no tiene puntos iniciales, lo que significa que su interpretación para las aplicaciones lógicas deriva de un teorema de conjuntos de axiomas vacíos.
*El conjunto de puntos iniciales está vacío, este es .
*El conjunto de reglas de transformación  se describe como :
Nuestro cálculo proposicional tiene diéz reglas de inferencia. Estas reglas nos permiten derivar otras fórmulas verdaderas dado un conjunto de fórmulas que se supone que son verdaderas. Las primeros nueve simplemente declaran que podemos inferir ciertas fórmulas bien formadas de otras fórmulas bien formadas; y la última regla utiliza el razonamiento hipotético en el sentido de que la premisa de la regla asuma temporalmente una hipótesis( no probada) para formar parte del conjunto de fórmulas deducidas para ver si podemos inferir alguna otra fórmula. Dado que las primeras nueve reglas no son hipotéticas , usualmente se describirían como reglas no hipotéticas, y la última regla como una regla hipotética.
Al describir las reglas de transformación, podemos introducir un símbolo de metalenguaje . Es básicamente una taquigrafía conveniente para decir " inferir que ". El formato es , en el cual Γ es un conjunto de fórmulas llamadas premisas, y ψ es una fórmula para hallar la conclusión. La regla de tranformacíon  significa que si toda proposición enΓ es un teorema ( o tiene el mismo valor de verdad que los axiomas ), entonces ψ es también un teorema. Tenga en cuenta que teniendo en cuenta la siguiente regla la introducción de conjunción Γ tiene más de una fórmula, siempre podemos reducirla con seguridad en una fórmula usando una conjunción. Así que para abreviar, a partir de ese momento podemos representar Γ como una fórmula en lugar de un conjunto. Otra omisión por conveniencia es cuando Γ es un conjunto vacío, en cuyo caso Γ puede no aparecer.
Un sistema de lógica proposicional también puede construirse a partir de un conjunto vacío de axiomas. Para ello se especifican una serie de reglas de inferencia que intentan capturar el modo en que naturalmente razonamos acerca de las conectivas lógicas.
Introducción de la negación
De  y , se infiere .
Esto es, .
Eliminación de la negación
De , se infiere .
Esto es, .
Eliminación de la doble negación
De , se infiere .
Esto es, .
Introducción de la conjunción
De  y , se infiere .
Esto es, .
Eliminación de la conjunción
De , se infiere .
De , se infiere .
Esto es,  y .
Introducción de la disyunción
De , se infiere .
Esto es,  y .
Eliminación de la disyunción
De  y  y , se infiere .
Esto es, .
Introducción del bicondicional
De  y , se infiere .
Esto es, .
Eliminación del bicondicional
De , se infiere .
De , se infiere .
Esto es,  y .
Modus ponens (eliminación del condicional)
De  y , se infiere .
Esto es, .
Prueba condicional (introducción del condicional)
De [aceptando que  permite una prueba de ], se infiere .
Esto es, .




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