DMI – Corso di laurea in Informatica
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2013 Giuseppe Scollo
precursori della formalizzazione logica: da Aristotele a Leibniz
Leibniz anticipa di un paio di secoli l'intuizione di George Boole: le leggi di un'algebra del pensiero
in prima approssimazione: un insieme + operazioni su di esso
le equazioni giocano un ruolo fondamentale nell'algebra tradizionale:
sono non meno fondamentali nell'algebra astratta (XX secolo), dove però:
il concetto di algebra, nella prima approssimazione introdotta sopra, si generalizza a quello di struttura algebrica, in cui si distingue:
una ridotta di una struttura A è una struttura costituita da un sottoinsieme delle operazioni e relazioni di A, definite sullo stesso sostegno
una struttura si dice omogenea se il sostegno consta di un solo insieme
una struttura dotata solo di operazioni totali è detta algebra in senso stretto, altrimenti è un'algebra in senso lato
N.B.: è sempre possibile rappresentare una struttura algebrica come
semigruppo:
(A; ⋅
),
con ⋅
un'operazione binaria associativa
monoide:
(A; e, ⋅
),
un semigruppo (A; ⋅
)
con e costante
neutra rispetto
a ⋅
gruppo [commutativo]:
(A; e, ⋅, —
),
un monoide [commutativo] (A; e, ⋅
)
con un'operazione unaria
—
che dà l'inverso rispetto a
⋅
ed e: x⋅—
x
= —
x⋅
x
=
e
semianello [commutativo]:
(A; 0, 1, +, ⋅
),
un monoide commutativo (A; 0, +), detto additivo,
e un monoide [commutativo] (A; 1, ⋅
), detto
moltiplicativo, tali da soddisfare:
⋅
(y+z)
=
(x⋅
y)+(x⋅
z),
(x+y)⋅
z
=
(x⋅
z)+(y⋅
z)
⋅
x
=
x ⋅
0
=
0
anello [commutativo]:
(A; 0, 1, +, ⋅,—
),
un semianello [commutativo]
(A; 0, 1, +, ⋅
), con il monoide
additivo esteso a un gruppo commutativo (A; 0, +, —
)
classi di algebre in senso stretto quali quelle viste in precedenza sono caratterizzate da assiomi di forma molto semplice:
=
t2 (con implicita quantificazione universale)
quando una classe di algebre è caratterizzata da un insieme di equazioni, che ne costituisce la base assiomatica, è possibile dedurre da tale base tutte le equazioni valide in ogni algebra della classe mediante le regole del calcolo equazionale di Garrett Birkhoff:
=
t
=
t2
allora
t2
=
t1
=
t2,
t2
=
t3
allora
t1
=
t3
=
t2
allora
τ(t1)
=
τ(t2)
=
t2
allora
t[u←
t1]
=
t[u←
t2]
←
t'] è ottenuto dal termine
t rimpiazzando il suo sottotermine al posto
u con il termine t'
un reticolo è un ordinamento parziale in cui ogni coppia di elementi abbia:
alternativamente, per via strettamente algebrica:
⋅
è espressa dall'equazione x⋅
x =
x)
∨,∧
)
tale che le sue due ridotte
(A; ∨
),
(A; ∧
)
sono semireticoli, e inoltre valgono gli assiomi di assorbimento:
∨
(x ∧
y) =
x
x ∧
(x ∨
y) =
x
occorrono dunque 8 equazioni per la base assiomatica dei reticoli?
che fine ha fatto l'ordinamento del reticolo? lo si può definire algebricamente come abbreviazione di equazioni (equivalenti) in ciascuna delle due operazioni binarie:
≤
y
≡
x
∨
y
=
y
oppure:
x
≤
y
≡
x
∧
y
=
x
un reticolo è completo se ogni insieme di suoi elementi ha minimo maggiorante e massimo minorante
un reticolo è detto distributivo se ciascuna delle sue due operazioni è distributiva rispetto all'altra
caratterizzazione M3-N5 dei reticoli non distributivi:
un reticolo è detto limitato se ha un massimo 1 e un minimo 0
un reticolo limitato è detto complementato
se ammette un'operazione unaria di complemento
- tale da soddisfare:
x
∨
-x
=
1
e:
x
∧
-x
=
0
un'algebra di Boole (o booleana) è un reticolo distributivo complementato
mettendo assieme le equazioni che caratterizzano i reticoli distributivi complementati, si ottiene una base assiomatica di 12 equazioni per le algebre di Boole
un paio di domande si sono presto imposte all'attenzione:
alla risposta (negativa) alla prima domanda ha fatto seguito la ricerca di una risposta alla seconda:
—
) così
ridotte, dovuta a E.V. Huntington (1933), consta di solo 3 equazioni:
associatività e commutatività
di + e
—
(—
x + y)
+ —
(—
x +
—
y)
=
x
su qualsiasi insieme S possono costruirsi algebre booleane di insiemi, ciascuna così fatta:
si verifica che l'ordinamento booleano è l'inclusione di insiemi nella famiglia
Teorema di rappresentazione di Stone:
qualsiasi sistema di assiomi completo per le algebre di Boole fornisce
un calcolo deduttivo completo per la logica
proposizionale:
⊢ φ =
1
sse ⊨ φ
=
ψ sse
⊨ φ ↔ ψ
sse
φ, ψ logicamente equivalenti
possiamo costruire un'algebra booleana delle formule proposizionali, dove si identifichino formule equivalenti? (semantica algebrica della logica proposizionale)
l'algebra di Lindenbaum-Tarski è una tal costruzione; fissato un insieme V di variabili proposizionali:
si veda l'esercizio sulla definizione dell'algebra di Lindenbaum-Tarski
di particolare interesse per la realizzazione di macchine da calcolo fisiche è l'algebra booleana minimale, o algebra binaria di commutazione (Switching Algebra), caratterizzata dal fatto che il sostegno consta solo delle due costanti booleane (distinte)
l'algebra booleana minimale è isomorfa all'algebra di Lindenbaum‑Tarski generata dall'insieme vuoto di variabili
l'algebra booleana minimale offre un'interpretazione dei simboli di costante come valori di verità e degli operatori booleani come connettivi proposizionali
i due operatori
(∨,—
)
sono sufficienti a definire qualsiasi funzione booleana, cioè funzione n-aria su {0,1}
∧
con una legge di De Morgan
Un insieme di operatori booleani si dice funzionalmente completo se ogni funzione booleana è rappresentabile da un termine contenente solo variabili e operatori nell'insieme
∧,—
),
e i singoli
∨
e
∧
si possono definire funzioni numeriche finite mediante funzioni booleane grazie alla rappresentazione binaria dei numeri (già intuita da Leibniz)
sono detti porte logiche (gate) componenti fisici con vie di ingresso e di uscita che esibiscano il comportamento di ingresso/uscita proprio di operatori booleani
si realizzano in tal modo circuiti logici, classificabili in due categorie:
in una rete combinatoria l'output a un dato istante dipende solo dai valori in input a quell'istante, mentre in un circuito sequenziale si ha la dipendenza dell'output dalla precedente sequenza temporale degli input