令人有點暈,奇特的代數,計算機起源的數學思想

2020-11-29 中學數學精準輔導

人的思維過程能用數學表示嗎?19世紀早期,英國數學家喬治·布爾(George Boole,1815-1864)突發奇想這個問題?此前,數學只用於計算,沒有人意識到,數學還能表達人的邏輯思維。

布爾首先對這個問題作了大膽的嘗試。他應用代數方法研究了邏輯,把一些簡單的邏輯思維數學化,建立了邏輯代數。他當然料想不到,在一個多世紀以後,這種十分簡單的代數,競對計算機技術有著巨大的實用價值。人們懷念他,就把邏輯代數叫做布爾代數。

兩千年來,哲學書都是用文字寫的。比如,最著名的三段論:

所有人都是要死的, 蘇格拉底是人, 所以,蘇格拉底是要死的。

喬治·布爾認為,這種推理可以用數學表達,也就是說,哲學書完全可以用數學寫。這就是數理邏輯的起源。

在布爾代數裡只有兩個數: 1和0;只有三種運算方法:邏輯加、邏輯乘和邏輯非。

兩個數表示兩種狀態。世界上有很多事物,是只具備兩種狀態的。比如一根電線,它或者帶電,或者不帶電。所以,我們不妨把帶電時叫做1,不帶電時叫做0.

注意。這組的1和0,表示有矛盾關係的雙方,和我們熟悉的數量概念中的1和0,含義是不同的。比如一把鎖,它或者開著,或者鎖著,這兩種狀 不能同時存在,可是一種狀態可以轉變成另一種狀態。所以,我們可以把打開時叫做1,鎖著時叫做0。一扇門,只有開著和關著兩種狀態,地可以用1和萊示。

一句話,對了或者錯;也可以用1或0來裝示。哥哥和弟弟住在一間房裡,各人有一把鎖和一把鑰匙。為了方便和安全;祂們出門時就把兩把鎖互相鉤住,串聯在門扣上。這樣一來,無論是哥哥單獨打開鎖,或者弟弟單獨打開鎖,或者兩個調時打開,都能達到開門的目的。不這樣,門一定不開。這種關係叫做邏輯加的關係,又叫做「或」的關素,用符號+」或者「V」表示。於是,我們可以用下面四個等式來表示四種情況:

哥哥鎖開(1)

→門開(1),1+0=1;

弟弟鎖不開(0)哥哥鎖不開(0),

→門開(1),0+1=1;

弟弟鎖開(1)哥哥鎖開(1);

→門開(1),1+1=1;

弟弟鎖開(1)哥哥鎖不開(0):

.→門不開(0),0+0=0。

弟弟鎖不開(0).

這四種情況,可以用代數式表示。令哥哥的鎖的狀態為A,弟弟的鎖的狀態為B,門的狀態為Y。A、B、Y都可以分別取1或者0兩種狀態。這裡,A、B是自變量,Y是A、B的函數,函數關係是:

A+B=Y.

再看一個例子。哥哥和弟弟共同用一個柜子,他們商量決定,無論哪一個,都不得單獨開柜子。:為了保證做到這點,他們兩個,把各自的鎖並掛套進門扣後鎖上,開櫃時,必須兩把鎖都打開後才能開門。這種門與鎖的關係,叫做邏輯乘的關係,又叫做「與」的關係,用

符號「×」或者「·」、「八」表示。這裡的四種情況,也可以用四個等式表示:

哥哥鎖開→門不開,1×0=0;

弟弟鎖不開,哥哥鎖不開→門不開,0×1=0;

弟弟鎖開,哥哥鎖開—→門開,1×1=1;:

弟弟鎖開,哥哥鎖不開→門不開,0×0=0。

弟弟鎖不開,寫成代數式是:A×B=Y,或者AB=Y。

還有一個運算符號,叫做邏輯非,簡稱「非」。邏輯非就是否定的意思,邏輯非運算也叫做反向運算,表達式是:

布爾代數一共只有以上三種運算,沒有減法和除法運算,也沒有乘方、開方等運算。

布爾代數的運算規則多數與傳統代數相同。不同的有以下幾條:

1,表示全部集合;

0,表示空集;

1 – A, 表示排除了A以後的集合,即非A集合;

1 + A = 1, 全部集合與A集合的併集還是全部集合;

A x (1 – A)= 0,這是矛盾律,即A集合與非A集合的交集是空集,它表明一個事物不能同時是它自己和它自己的反面;

A x A = A, A集合與A集合的交集仍然是A集合;

A + A = A, A集合與A集合的併集仍然是A集合;

布爾代數只有兩個數,分別是:true(真)和false(假)。

喬治·布爾發明的工具,叫做"集合論"(Set theory)。他認為,邏輯思維的基礎是一個個集合(Set),每一個命題表達的都是集合之間的關係。比如,所有人類組成一個集合R,所有會死的東西組成一個集合D。所有人都是要死的

集合論的寫法就是:RXD=R。

集合之間最基本的關係是併集和交集。乘號(X)表示交集,加號(+)表示併集。上面這個式子的意思是,R與D的交集就是R。

同樣的,蘇格拉底也是一個集合S,這個集合裡面只有蘇格拉底一個成員。

蘇格拉底是人 // 等同於 S X R = S。

上面式子的意思是,蘇格拉底與人類的交集,就是蘇格拉底。

將第一個式子代入第二個式子,就得到了結論。

S X (R X D) = (S X R) X D = S X D = S

這個式子的意思是,蘇格拉底與會死的東西的交集,就是蘇格拉底,即蘇格拉

底也屬於會死的東西。

邏輯代數在邏輯電路的設計和簡化中,有著廣泛的應用。執行「與」、「或」、「非」功能的電子元件,叫做「與門」、「或門」、「非門」,是構成邏輯線路的基本元件。

布爾代數是計算機的基礎。沒有它,就不會有計算機。布爾代數發展到今天,已經非常抽象,但是它的核心思想很簡單,它促成了計算機的誕生。

雖然布爾代數可以判斷命題真偽,但是無法取代人類的理性思維。原因是它有一個局限。它必須依據一個或幾個已經明確知道真偽的命題,才能做出判斷。比如,只有知道"所有人都會死"這個命題是真的,才能得出結論"蘇格拉底會死"。

布爾代數只能保證推理過程正確,無法保證推理所依據的前提是否正確。如果前提是錯的,正確的推理也會得到錯誤的結果。而前提的真偽要由科學實驗和觀察來決定,布爾代數無能為力。

布爾代數發明後很久都不受重視,數學家們曾輕蔑地說它:沒有數學意義,在哲學上也屬於稀奇古怪的東西。直到20世紀初,羅素在《數學原理》中提到:「純數學是布爾在一部他稱之為《思想規律》的著作中發現的」,人們這才關注到布爾代數。但還是認為它是毫無實際用途的「純數學」。

直到1938年,一位年僅22歲的美國年輕人在《繼電器與開關電路的符號分析》中,將布爾代數與開關電路聯繫起來了。這篇文章是他在麻省理工學院(MIT)獲得電氣工程碩士學位的畢業論文。上世紀八十年代,被譽為「多元智能理論」之父的哈佛大學教授霍華德.加德納(HowardGardner)曾經評論這篇文章:「它可能是本世紀最重要、最著名的一篇碩士論文」。這位年輕人就是克勞德.艾爾伍德.香農。

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