离散数学笔记(一)

一、命题逻辑:

  • 命题的概念:

    命题是一个陈述事实的语句,有唯一的确定的真值,即不能既真又假


  • 命题变元/原子命题:

    一个原子命题可以用命题变元来表示,通常用小写字母来表示命题变元,如:p,q,r等;命题变元是一个变量,取值范围仅为:{T,F}, {1,0}


  • 命题表达式(递归定义):

    1)一个命题变元是命题表达式;
    2)若p是命题表达式,则 ¬ p \neg p ¬p也是命题表达式;
    3)若p和q是命题表达式,则 ( p ∧ q ) , ( p ∨ q ) , ( p → q ) , ( p ↔ q ) (p \wedge q),(p \vee q),(p \rightarrow q), (p \leftrightarrow q) (pq),(pq),(pq),(pq)也是命题表达式;
    4)只有有限次地应用上述规则形成的符号串才是命题表达式;


  • 逻辑运算符(优先级降序):

    否定 ¬ \neg ¬, 合取 ∧ \wedge , 析取 ∨ \vee , 蕴含 → \rightarrow (仅1->0为假),双蕴含 ↔ \leftrightarrow (仅取值相同为真)


  • 成真指派/成假指派:

    含n个变元的一个命题可以看做 B n → B B^n \rightarrow B BnB中的一个函数,其中B = {0,1}, B n = B × B × . . . × B B^n = B \times B \times ... \times B Bn=B×B×...×B.
    1)成真指派:对于所有变元的一种指派(赋值),使得命题为真;
    2)成假指派:对于所有变元的一种指派(赋值),使得命题为假;


  • 永真式(重言式)/永假式(矛盾式):

    1)永真式:无论其中出现的命题变元如何赋值,取值总是为真,比如 p ∨ ¬ p p \vee \neg p p¬p
    2)永假式:无论其中出现的命题变元如何赋值,取值总是为假,比如 p ∧ ¬ p p \wedge \neg p p¬p


  • 逻辑等价:

    两个命题表达式A和B等价,记作: A ≡ B A \equiv B AB,意为:
    对于任意变元指派,A和B的取值相同,即 A ↔ B A \leftrightarrow B AB为永真式;


  • 常见逻辑等价式:
定律名逻辑等价式
双重否定律 p ≡ ¬ ¬ p p \equiv \neg \neg p p¬¬p
幂等律 p ≡ p ∨ p ≡ p ∧ p p \equiv p \vee p \equiv p \wedge p ppppp
交换律 p ∨ q ≡ q ∨ p p \vee q \equiv q \vee p pqqp
p ∧ q ≡ q ∧ p p \wedge q \equiv q \wedge p pqqp
结合律 ( p ∨ q ) ∨ r ≡ p ∨ ( q ∨ r ) (p \vee q) \vee r \equiv p \vee (q \vee r) (pq)rp(qr)
( p ∧ q ) ∧ r ≡ p ∧ ( q ∧ r ) (p \wedge q) \wedge r \equiv p \wedge (q \wedge r) (pq)rp(qr)
分配律 p ∨ ( q ∧ r ) ≡ ( p ∨ q ) ∧ ( p ∨ r ) p \vee (q \wedge r) \equiv (p \vee q)\wedge( p \vee r) p(qr)(pq)(pr)
p ∧ ( q ∨ r ) ≡ ( p ∧ q ) ∨ ( p ∧ r ) p \wedge (q \vee r) \equiv (p \wedge q)\vee( p \wedge r) p(qr)(pq)(pr)
德摩根律 ¬ ( p ∨ q ) ≡ ¬ p ∧ ¬ q \neg (p \vee q) \equiv \neg p \wedge \neg q ¬(pq)¬p¬q
¬ ( p ∧ q ) ≡ ¬ p ∨ ¬ q \neg (p \wedge q) \equiv \neg p \vee \neg q ¬(pq)¬p¬q
吸收律 p ∨ ( p ∧ q ) ≡ p p \vee (p \wedge q) \equiv p p(pq)p
p ∧ ( p ∨ q ) ≡ p p \wedge (p \vee q) \equiv p p(pq)p
支配律 p ∨ T ≡ T p \vee T \equiv T pTT
p ∧ F ≡ F p \wedge F \equiv F pFF
恒等律 p ∧ T ≡ p p \wedge T \equiv p pTp
p ∨ F ≡ p p \vee F \equiv p pFp
排中律 p ∨ ¬ p ≡ T p \vee \neg p \equiv T p¬pT
矛盾律 p ∧ ¬ p ≡ F p \wedge \neg p \equiv F p¬pF
归谬律 ( p → q ) ∧ ( p → ¬ q ) ≡ ¬ p (p \rightarrow q) \wedge (p \rightarrow \neg q) \equiv \neg p (pq)(p¬q)¬p
p ≡ ¬ p → F p \equiv \neg p \rightarrow F p¬pF
假言易位 p → q ≡ ¬ q → ¬ p p \rightarrow q \equiv \neg q \rightarrow \neg p pq¬q¬p
p ↔ q ≡ ¬ q ↔ ¬ p p \leftrightarrow q \equiv \neg q \leftrightarrow \neg p pq¬q¬p
假言析取 p → q ≡ ¬ p ∨ q p \rightarrow q \equiv \neg p \vee q pq¬pq
蕴含互化 p ↔ q ≡ ( p → q ) ∧ ( q → p ) p \leftrightarrow q \equiv (p \rightarrow q) \wedge (q \rightarrow p) pq(pq)(qp)

  • 语义蕴含:

    命题表达式A语义蕴含B,记作: A ↦ B A \mapsto B AB,意为:
    对于A的任意成真指派,B均为真(反之不一定成立),即 A ↦ B A \mapsto B AB iff A → B A\rightarrow B AB为永真式;


  • 自然推理规则:
    (实质上为一组已经成为公理的语义蕴含式)
规则名推理式
假言推理 p , p → q ⇒ q p, p \rightarrow q \Rightarrow q p,pqq
取据式 ¬ q , p → q ⇒ ¬ p \neg q, p \rightarrow q \Rightarrow \neg p ¬q,pq¬p
假言三段论 p → q , q → r ⇒ p → r p \rightarrow q, q \rightarrow r \Rightarrow p \rightarrow r pq,qrpr
析取三段论 ¬ p , p ∨ q ⇒ q \neg p, p \vee q \Rightarrow q ¬p,pqq
附加律 p ⇒ p ∨ q p \Rightarrow p \vee q ppq
化简律 p ∧ q ⇒ p , p ∧ q ⇒ q p \wedge q \Rightarrow p, p \wedge q \Rightarrow q pqp,pqq
合取律 p , q ⇒ p ∧ q p,q \Rightarrow p \wedge q p,qpq
消解律 p ∨ q , ¬ p ∨ r ⇒ q ∨ r p \vee q, \neg p \vee r \Rightarrow q \vee r pq,¬prqr

  • 合取范式(CNF)/ 析取范式 (DNF):

    设命题公式A中出现的命题变元为 p 1 , p 2 , … p n p_1,p_2,…p_n p1,p2,pn
    1)以Qi表示 p i 或 ¬ p i p_i或\neg p_i pi¬pi,i=1,2,…n,称为文字

    2)称 Q 1 ∨ … ∨ Q k Q_1\vee…\vee Q_k Q1Qk p 1 , … , p n p_1,…,p_n p1pn的一个析取项 Q 1 ∧ … ∧ Q k Q_1\wedge…\wedge Q_k Q1Qk p 1 , … , p n p_1,…,p_n p1pn的一个合取项注意角标k和n不必相等,也不必连续从1到k,只要是[1,n]的一个子集即可);

    3)特别地,当任意 p i p_i pi的文字在析取项中出现且仅出现一次,则称这个析取项为最大项 => 易知最大项只有一种成假指派;当任意 p i p_i pi的文字在合取项中出现且仅出现一次,则称这个合取项为最小项 => 易知最小项只有一种成真指派;

    4)若干个互不相同的析取项的合取称为一个合取范式;若干个互不相同的合取项的析取称为一个析取范式;与命题公式A逻辑等价的合取范式/析取范式称为A的合取范式/析取范式(注意:任意命题公式都可转化为若干个合取范式/析取范式

    5)特别地,当A的合取范式的所有析取项都是最大项,则称该合取范式为A的主合取范式;当A的析取范式的所有合取项都是最小项,则称该合取范式为A的主析取范式注意:任意命题公式都可转化为唯一的主合取范式/主析取范式



二、谓词逻辑:

  • 谓词:

    谓词逻辑的结构可分解为个体词和谓词。 个体词是可以独立存在的事或物,常项通常用a,b,c等表示,变项通常用x,y,z等表示;谓词则是用来刻划个体词的性质的词,通常用P,Q等表示;而谓词逻辑即由P(x) , Q(x,y,z)等表示;


  • 量词:

    若P(x)是谓词,则 ∀ \forall x P(x) 表示对于所有的x, 有P(x), 称 ∀ \forall 全称量词
    若P(x)是谓词,则 ∃ \exist x P(x) 表示对于所有的x, 有P(x), 称 ∃ \exist 特称量词


  • 多量词的等价换序:

    ∀ x ∀ y P ( x , y ) ≡ ∀ y ∀ x P ( x , y ) \forall x \forall y P(x,y) \equiv \forall y \forall x P(x,y) xyP(x,y)yxP(x,y)
    ∃ x ∃ y P ( x , y ) ≡ ∃ y ∃ x P ( x , y ) \exist x \exist y P(x,y) \equiv \exist y \exist x P(x,y) xyP(x,y)yxP(x,y)
    (注意多个量词一般不能随意交换顺序,比如: ∀ x ∃ y P ( x , y ) 与 ∃ y ∀ x P ( x , y ) \forall x \exist y P(x,y) 与 \exist y \forall x P(x,y) xyP(x,y)yxP(x,y)不一定等价,举例:令P(x,y) 表示“y > x”)


  • 谓词逻辑的推理规则:
规则名推理式
全称例示 ∀ x P ( x ) ⇒ P ( c ) 对 于 任 意 的 c \forall x P(x) \Rightarrow P(c)对于任意的c xP(x)P(c)c
全称生成 P ( c ) 对 于 任 意 的 c ⇒ ∀ x P ( x ) P(c)对于任意的c \Rightarrow \forall x P(x) P(c)cxP(x)
特称例示 ∃ x P ( x ) ⇒ P ( c ) 对 于 某 个 c \exist x P(x) \Rightarrow P(c)对于某个c xP(x)P(c)c
特称生成 P ( c ) 对 于 某 个 c ⇒ ∃ x P ( x ) P(c)对于某个c \Rightarrow \exist x P(x) P(c)cxP(x)


三、证明方法:

  • 直接证明:

    由已知定理和前提条件,多次运用推理规则进行证明

  • 反证法:

    原理为假言易位,即 p → q ≡ ¬ q → ¬ p p \rightarrow q \equiv \neg q \rightarrow \neg p pq¬q¬p

  • 归谬法:

    原理: q ≡ ¬ q → F q \equiv \neg q \rightarrow F q¬qF

  • 存在性证明:
    • 构造性证明:直接举出一个实例

    • 非构造性证明:设计一组条件,证明一定能在条件下找到一个实例

  • 任意性证伪:

    即否命题的存在性证明

  • 任意性证明:

    一般直接证明 (如数学归纳法

  • 存在性证伪:

    即否命题的任意性证明




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