第 154 篇

考研数电·零基础讲义 第02讲(下)|逻辑代数的公式与三个基本定理

约 19 分钟 6215 字 华南师范大学数字电子技术考研数电零基础讲义

考研数电·零基础讲义 · 第 02 讲(下)|逻辑代数的公式与三个基本定理 学完本讲,你能熟练使用逻辑代数的基本公式和常用公式(吸收律、冗余项定理等),会用代入定理、反演定理求多变量公式和反函数,会写对偶式。预计用时:2–2.5 小时(含练习)。

本讲地图

  • 学什么:18 条基本公式(哪些和普通代数一样、哪些"反直觉");6 组常用公式及其证明;代入定理、反演定理、对偶定理。
  • 为什么重要:这些公式是第 04 讲"公式化简法"的全部工具。化简得越简单,电路用的门越少、越便宜、越可靠。
  • 华师怎么考:考纲"逻辑运算和逻辑函数的化简"。真题里的化简一般藏在设计题中(比如 2026 回忆题第 5 题先化简再用 74HC151 实现),求反函数、德·摩根变换在"把表达式改成与非形式""用译码器/数据选择器实现函数"时都要用到。
  • 教材对应:阎石第六版 第 2 章 2.3 节(基本公式和常用公式)、2.4 节(代入、反演、对偶三个定理)。

前置知识

  • 与、或、非及复合逻辑的真值表和表达式,运算优先级(见第 02 讲(上))。

一、为什么要学公式

大白话

同一个逻辑功能,可以有很多种写法。比如Y=AB+AB‾+A‾BY=AB+A\overline{B}+\overline{A}B和Y=A+BY=A+B⁠,真值表一模一样(后面会证明)。但前者要 3 个与门、2 个非门、1 个三输入或门;后者只要 1 个或门。

公式就是"等价变形"的规则,就像普通代数里a(b+c)=ab+aca(b+c)=ab+ac一样,帮助我们把复杂的式子变成简单的式子,而功能不变。

怎么证明一个公式对不对

逻辑变量只有 0 和 1,所以有一个"笨但绝对可靠"的办法:列真值表。把所有变量组合代入等式两边,如果每一行结果都相同,等式就成立。2 个变量 4 行,3 个变量 8 行,手算完全可行。


二、基本公式(布尔恒等式)

公式表

左右两列是一一对应的"对偶"关系(第五节会讲),先整体看一遍:

序号 公式 序号 公式 名称
(1) 0⋅A=00\cdot A=0 (11) 1+A=11+A=1 0-1 律
(2) 1⋅A=A1\cdot A=A (12) 0+A=A0+A=A 自等律
(3) A⋅A=AA\cdot A=A (13) A+A=AA+A=A 重叠律
(4) A⋅A‾=0A\cdot\overline{A}=0 (14) A+A‾=1A+\overline{A}=1 互补律
(5) AB=BAAB=BA (15) A+B=B+AA+B=B+A 交换律
(6) A(BC)=(AB)CA(BC)=(AB)C (16) A+(B+C)=(A+B)+CA+(B+C)=(A+B)+C 结合律
(7) A(B+C)=AB+ACA(B+C)=AB+AC (17) A+BC=(A+B)(A+C)A+BC=(A+B)(A+C) 分配律
(8) AB‾=A‾+B‾\overline{AB}=\overline{A}+\overline{B} (18) A+B‾=A‾⋅B‾\overline{A+B}=\overline{A}\cdot\overline{B} 德·摩根定理(反演律)
(9) A‾‾=A\overline{\overline{A}}=A (10) 1‾=0, 0‾=1\overline{1}=0,\ \overline{0}=1 还原律 / 常量求反

(序号沿用阎石教材表 2.3.1,方便你对照课本。)

逐条拆解:哪些"像普通代数",哪些"不像"

和普通代数一样的(放心用):

  • (2) 1⋅A=A1\cdot A=A⁠、(12) 0+A=A0+A=A⁠、(1) 0⋅A=00\cdot A=0⁠:乘 1 不变、加 0 不变、乘 0 得 0;
  • (5)(15) 交换律、(6)(16) 结合律;
  • (7) 乘法对加法的分配律A(B+C)=AB+ACA(B+C)=AB+AC⁠,就是普通的"乘开括号"。

和普通代数不一样、要特别记住的:

  • (11) 1+A=11+A=1:或运算"有 1 出 1",不管AA是什么,结果都是 1。普通代数里1+a1+a可不等于 1。
  • (3)(13) 重叠律A⋅A=AA\cdot A=A⁠,A+A=AA+A=A:逻辑里没有"平方"和"倍数"。A⋅AA\cdot A不是A2A^2⁠,A+AA+A也不是2A2A⁠。
  • (4)(14) 互补律AA‾=0A\overline{A}=0⁠,A+A‾=1A+\overline{A}=1:一个变量和它的反,不可能同时为 1(与得 0),也一定有一个为 1(或得 1)。
  • (17) A+BC=(A+B)(A+C)A+BC=(A+B)(A+C):加法对乘法也能分配!普通代数里a+bc≠(a+b)(a+c)a+bc\neq(a+b)(a+c)⁠,但逻辑代数里成立。这条最反直觉,下面用真值表证明。
  • (8)(18) 德·摩根定理:普通代数里根本没有对应的东西,是逻辑代数最重要的公式之一,下面单独讲。

例题 1:用真值表证明 (17) A+BC=(A+B)(A+C)A+BC=(A+B)(A+C)

AA BB CC BCBC 左边A+BCA+BC A+BA+B A+CA+C 右边(A+B)(A+C)(A+B)(A+C)
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 1 0
0 1 0 0 0 1 0 0
0 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 0 1 1 1 1
1 0 1 0 1 1 1 1
1 1 0 0 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1

左边一列和右边一列 8 行完全相同,等式成立。

也可以用公式推:把右边乘开,(A+B)(A+C)=AA+AC+AB+BC=A+AC+AB+BC=A(1+C+B)+BC=A+BC(A+B)(A+C)=AA+AC+AB+BC=A+AC+AB+BC=A(1+C+B)+BC=A+BC⁠。用到了重叠律AA=AAA=A和1+⋯=11+\cdots=1⁠。

德·摩根定理(反演律)

AB‾=A‾+B‾,A+B‾=A‾⋅B‾\overline{AB}=\overline{A}+\overline{B},\qquad\overline{A+B}=\overline{A}\cdot\overline{B}

大白话:

  • "不是(A 和 B 都成立)" = "A 不成立,或者 B 不成立"。比如"不是(既有钱又有空)",就是"要么没钱,要么没空"。
  • "不是(A 或 B 成立)" = "A 不成立,并且 B 不成立"。比如"既不下雨也不刮风",就是"没下雨并且没刮风"。

操作口诀:"长线断开,运算变号"——一条长横线断成几条短横线(分别盖在每个变量上),中间的"与"变"或"、"或"变"与"。

德·摩根定理的门电路等效:与非门等于输入先取反的或门,或非门等于输入先取反的与门;右侧真值表逐行高亮对照(动画循环播放) 与非 = 先取反再或 = Y = AB Y = A + B 或非 = 先取反再与 = Y = A+B Y = A · B 口诀:长线断开,运算变号(与↔或) A B AB A+B A+B AB 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 蓝色两列完全相同:AB = A + B 绿色两列完全相同:A+B = A · B 输入端的小圆圈 = 先取反再进门

图 1:德·摩根定理的门电路形式。右侧真值表逐行高亮,两组列完全一样(动画循环播放)。

从门电路角度看:与非门 = 输入先取反的或门,或非门 = 输入先取反的与门。看电路图时遇到"输入端带小圆圈的或门",要能认出它其实就是与非门。

易错点 ⚠️

  • 逻辑代数不能"移项",也不能"约分"。
    • 由A+B=A+CA+B=A+C 推不出 B=CB=C⁠。反例:A=1,B=0,C=1A=1,B=0,C=1时,两边都等于 1,但B≠CB\neq C⁠。
    • 由AB=ACAB=AC 推不出 B=CB=C⁠。反例:A=0,B=0,C=1A=0,B=0,C=1⁠。
    • 因为逻辑代数里没有减法和除法。
  • AB‾≠A‾ B‾\overline{AB}\neq\overline{A}\,\overline{B}⁠!长横线不能直接"拆"成短横线而不改运算符。正确的是AB‾=A‾+B‾\overline{AB}=\overline{A}+\overline{B}⁠。

三、常用公式

下面 6 组公式都可以由基本公式推出来,但因为化简时太常用了,直接记住能省大量时间。序号沿用教材表 2.3.3。

公式 (21):A+AB=AA+AB=A(吸收律)

证明:

A+AB=A(1+B)=A⋅1=AA+AB=A(1+B)=A\cdot1=A

大白话:两个乘积项相加,如果一项包含了另一项的全部因子(⁠ABAB里有AA⁠),那么"更长"的那项是多余的,被"吸收"掉。

想象成面积:ABAB是AA和BB的重叠部分,它本来就在AA里面,再加上它,总面积还是AA⁠。

用面积图理解吸收律:A+AB=A,AB 本来就在 A 里面;A+A非B=A+B,补上的是 B 中不属于 A 的部分 A + AB = A A B 绿色 AB 已经在蓝色 A 里,加了等于没加 A + AB = A + B A B 橙色是 AB(B 里不属于 A 的部分) 蓝 + 橙 = 整个 A 和 B 覆盖的区域

图 2:用面积图理解两条吸收律。

公式 (22):A+A‾B=A+BA+\overline{A}B=A+B

证明(用 (17) 分配律):

A+A‾B=(A+A‾)(A+B)=1⋅(A+B)=A+BA+\overline{A}B=(A+\overline{A})(A+B)=1\cdot(A+B)=A+B

大白话:两项相加,如果一项的反(⁠A‾\overline{A}⁠)是另一项里的因子,这个因子可以直接删掉。从图 2 右边看,A‾B\overline{A}B是"在BB里但不在AA里"的部分,补到AA上,正好就是AA和BB的全部,即A+BA+B⁠。

公式 (23):AB+AB‾=AAB+A\overline{B}=A(并项)

证明:

AB+AB‾=A(B+B‾)=A⋅1=AAB+A\overline{B}=A(B+\overline{B})=A\cdot1=A

大白话:两项"其他因子都一样,只有一个变量一项是原、一项是反",就能合并成一项,那个变量消失。这是后面卡诺图化简(第 04 讲(中))的核心原理——相邻的两个格子能合并。

公式 (24):A(A+B)=AA(A+B)=A

证明:

A(A+B)=AA+AB=A+AB=AA(A+B)=AA+AB=A+AB=A

最后一步就是 (21)。大白话:AA乘一个"包含AA的和",结果就是AA⁠。

公式 (25):AB+A‾C+BC=AB+A‾CAB+\overline{A}C+BC=AB+\overline{A}C(冗余项定理)

证明(配项法,给BCBC乘一个1=A+A‾1=A+\overline{A}⁠):

AB+A‾C+BC=AB+A‾C+BC(A+A‾)=AB+A‾C+ABC+A‾BC=AB(1+C)+A‾C(1+B)=AB+A‾C\begin{aligned} AB+\overline{A}C+BC&=AB+\overline{A}C+BC(A+\overline{A})\\ &=AB+\overline{A}C+ABC+\overline{A}BC\\ &=AB(1+C)+\overline{A}C(1+B)\\ &=AB+\overline{A}C \end{aligned}

怎么认:

  1. 找到两个乘积项,一项含AA⁠、另一项含A‾\overline{A}(这里是ABAB和A‾C\overline{A}C⁠);
  2. 把这两项去掉AA⁠、A‾\overline{A}后剩下的因子乘起来,得到BCBC⁠;
  3. 如果式子里还有BCBC这一项,它就是多余的(冗余项),可以删掉。

推广:如果第三项是BCBC再乘上别的因子(比如BCDBCD⁠),它同样多余:

AB+A‾C+BCD=AB+A‾CAB+\overline{A}C+BCD=AB+\overline{A}C

大白话:当BC=1BC=1时,B=1B=1且C=1C=1⁠;此时不管AA是 0 还是 1,ABAB和A‾C\overline{A}C中总有一项为 1。所以BCBC这一项"能做的事"前两项已经做了。

公式 (26):AAB‾=AB‾A\overline{AB}=A\overline{B}⁠;A‾ AB‾=A‾\overline{A}\,\overline{AB}=\overline{A}

证明(先用德·摩根):

AAB‾=A(A‾+B‾)=AA‾+AB‾=0+AB‾=AB‾A\overline{AB}=A(\overline{A}+\overline{B})=A\overline{A}+A\overline{B}=0+A\overline{B}=A\overline{B} A‾ AB‾=A‾(A‾+B‾)=A‾+A‾ B‾=A‾\overline{A}\,\overline{AB}=\overline{A}(\overline{A}+\overline{B})=\overline{A}+\overline{A}\,\overline{B}=\overline{A}

大白话:AA乘一个"含AA的乘积项的非"时,长横线下的AA可以删掉;A‾\overline{A}乘它时,整个长横线项都可以删掉。

例题 2:用常用公式化简

(1) Y=AB+AB‾+A‾BY=AB+A\overline{B}+\overline{A}B

Y=(AB+AB‾)+A‾B=A+A‾B(公式 23 并项)=A+B(公式 22)\begin{aligned} Y&=(AB+A\overline{B})+\overline{A}B\\ &=A+\overline{A}B\qquad\text{(公式 23 并项)}\\ &=A+B\qquad\text{(公式 22)} \end{aligned}

这就是第一节说的:一个复杂的式子化简后只剩一个或门。

(2) Y=AB‾+A‾C+B‾CY=A\overline{B}+\overline{A}C+\overline{B}C

  • 找含AA和A‾\overline{A}的两项:AB‾A\overline{B}和A‾C\overline{A}C⁠;
  • 去掉AA⁠、A‾\overline{A}后剩B‾\overline{B}和CC⁠,乘起来是B‾C\overline{B}C⁠;
  • 式子里正好有B‾C\overline{B}C⁠,它是冗余项,删掉。
Y=AB‾+A‾CY=A\overline{B}+\overline{A}C

(3) Y=A AB‾Y=A\,\overline{AB}⁠:由公式 (26),Y=AB‾Y=A\overline{B}⁠。

验证:每一题都可以列真值表核对化简前后完全一致(本讲所有结果都已用程序穷举核对过)。

易错点 ⚠️

  • 公式 (22) 只能删"反变量因子":A+A‾B=A+BA+\overline{A}B=A+B⁠。但A+ABA+AB要用 (21) 吸收成AA⁠,不能套成A+BA+B⁠。
  • 冗余项定理要求两项中的变量一原一反(⁠AA和A‾\overline{A}⁠)。AB+AC+BCAB+AC+BC里没有这样的一对,BCBC 不是冗余项,不能删。
  • 化简完一定要用真值表或代入几组值抽查一下。

四、三个基本定理

1. 代入定理

内容:在任何一个包含变量AA的逻辑等式中,如果把所有出现AA的地方都换成同一个逻辑式,等式仍然成立。

为什么成立:等式对A=0A=0和A=1A=1都成立;而任何逻辑式的取值也只能是 0 或 1,所以拿它替换AA⁠,等式照样成立。

用途:把两变量的公式推广到多变量。

例题 3:把德·摩根定理推广到三个变量

已知A+B‾=A‾⋅B‾\overline{A+B}=\overline{A}\cdot\overline{B}⁠。把式中的BB全部换成(B+C)(B+C)⁠:

A+(B+C)‾=A‾⋅B+C‾=A‾⋅B‾⋅C‾\overline{A+(B+C)}=\overline{A}\cdot\overline{B+C}=\overline{A}\cdot\overline{B}\cdot\overline{C}

同理,由AB‾=A‾+B‾\overline{AB}=\overline{A}+\overline{B}⁠,把BB换成BCBC⁠:

A⋅(BC)‾=A‾+BC‾=A‾+B‾+C‾\overline{A\cdot(BC)}=\overline{A}+\overline{BC}=\overline{A}+\overline{B}+\overline{C}

所以德·摩根定理对任意多个变量都成立:

A+B+C+⋯‾=A‾⋅B‾⋅C‾⋯ ,ABC⋯‾=A‾+B‾+C‾+⋯\overline{A+B+C+\cdots}=\overline{A}\cdot\overline{B}\cdot\overline{C}\cdots,\qquad\overline{ABC\cdots}=\overline{A}+\overline{B}+\overline{C}+\cdots

例题 3(续):德·摩根的两个典型用法

用法一:把长横线"推"进去。 求AB‾+C‾\overline{A\overline{B}+C}的不带长横线的形式。

AB‾+C‾=AB‾‾⋅C‾=(A‾+B‾‾)C‾=(A‾+B)C‾=A‾ C‾+BC‾\overline{A\overline{B}+C}=\overline{A\overline{B}}\cdot\overline{C}=(\overline{A}+\overline{\overline{B}})\overline{C}=(\overline{A}+B)\overline{C}=\overline{A}\,\overline{C}+B\overline{C}

第一步对"或"用德·摩根(长线断开,或变与),第二步对AB‾A\overline{B}再用一次(与变或),第三步用还原律B‾‾=B\overline{\overline{B}}=B⁠。一层一层往里推,每推一层运算符变一次号。

用法二:把与或式变成"与非-与非"式。 把Y=AB+CDY=AB+CD改写成只用与非运算的形式。

先在整个式子上加两条横线(还原律,值不变),再对下面那条用德·摩根:

Y=AB+CD‾‾=AB‾⋅CD‾‾Y=\overline{\overline{AB+CD}}=\overline{\overline{AB}\cdot\overline{CD}}

最外层是"AB‾\overline{AB}与CD‾\overline{CD}再取反",即一个与非门;里面的AB‾\overline{AB}⁠、CD‾\overline{CD}也是与非门。所以YY可以只用 3 个两输入与非门实现。这个技巧在第 04 讲(下)"逻辑形式变换"和用与非门设计电路时天天用。

注意:代入时必须把所有出现的AA都换掉,只换一部分就不对了。另外,对一个乘积项或逻辑式整体求反时,要先给它加括号再求反。

2. 反演定理(求反函数)

内容:对任意一个逻辑式YY⁠,如果把其中:

  • 所有的"·"换成"+","+"换成"·";
  • 所有的 0 换成 1,1 换成 0;
  • 所有的原变量换成反变量,反变量换成原变量;

得到的结果就是Y‾\overline{Y}(⁠YY的反函数)。

两条必须遵守的规则:

  1. 保持原来的运算顺序:"先括号、再与、最后或"。原来先算的部分,换完后还要先算——所以常常需要补括号。
  2. 不属于单个变量上的长横线保持不变(长横线下面的内容照样按规则变换,但长横线本身留着)。

德·摩根定理其实就是反演定理最简单的特例。

例题 4:求反函数

已知Y=A‾B+CD‾Y=\overline{A}B+C\overline{D}⁠,求Y‾\overline{Y}⁠。

第 1 步:看运算顺序。 原式是"A‾B\overline{A}B与、CD‾C\overline{D}与,然后两者或"。换完后,或变成与,与变成或,而原来的两个"与项"要先算,所以各自加括号。

第 2 步:逐个替换。

  • A‾B\overline{A}B → A‾\overline{A}变AA⁠,BB变B‾\overline{B}⁠,与变或 → (A+B‾)(A+\overline{B})⁠;
  • 中间的 "+" → "·";
  • CD‾C\overline{D} → (C‾+D)(\overline{C}+D)⁠。
Y‾=(A+B‾)(C‾+D)\overline{Y}=(A+\overline{B})(\overline{C}+D)

第 3 步(如需要):展开成与或式。

Y‾=AC‾+AD+B‾ C‾+B‾D\overline{Y}=A\overline{C}+AD+\overline{B}\,\overline{C}+\overline{B}D 反演定理与对偶定理的对照:同一个式子,反演要互换运算符、0和1以及原反变量,得到反函数;对偶只互换运算符和0、1,得到对偶式 原式 Y = AB + CD 反演 → 反函数 Y · ↔ + 0 ↔ 1 原变量 ↔ 反变量 Y = (A + B)(C + D) 对偶 → 对偶式 · ↔ + 0 ↔ 1 变量不动 对偶式 = (A + B)(C + D) 共同规则:保持"先括号、再与、后或"的运算顺序;不在单个变量上的长横线保留不动

图 3:同一个式子做反演和做对偶,替换规则的区别。

例题 5:含长横线的反函数

已知Y=A+B+C‾‾Y=A+\overline{B+\overline{C}}⁠,求Y‾\overline{Y}⁠。

  • 第一个AA → A‾\overline{A}⁠;
  • 中间的 "+" → "·";
  • B+C‾‾\overline{B+\overline{C}}这条长横线不在单个变量上,保留;横线下面照规则换:BB变B‾\overline{B}⁠,"+" 变 "·",C‾\overline{C}变CC⁠,得B‾⋅C‾\overline{\overline{B}\cdot C}⁠。
Y‾=A‾⋅B‾C‾\overline{Y}=\overline{A}\cdot\overline{\overline{B}C}

继续化简:由德·摩根,B‾C‾=B+C‾\overline{\overline{B}C}=B+\overline{C}⁠,所以

Y‾=A‾(B+C‾)=A‾B+A‾ C‾\overline{Y}=\overline{A}(B+\overline{C})=\overline{A}B+\overline{A}\,\overline{C}

核对:原式Y=A+B+C‾‾=A+B‾CY=A+\overline{B+\overline{C}}=A+\overline{B}C(德·摩根)。再对它直接用反演:Y‾=A‾(B+C‾)\overline{Y}=\overline{A}(B+\overline{C})⁠,结果一致 ✓。

例题 6:运算顺序的陷阱

求Y=AB+CY=AB+C的反函数。

  • 正确:ABAB要先算,换完要加括号:Y‾=(A‾+B‾)C‾\overline{Y}=(\overline{A}+\overline{B})\overline{C}⁠。
  • 错误:直接写成A‾+B‾ C‾\overline{A}+\overline{B}\,\overline{C}⁠。按优先级,这个式子会先算B‾ C‾\overline{B}\,\overline{C}再或A‾\overline{A}⁠,意思完全变了。例如A=0,B=1,C=1A=0,B=1,C=1时,Y=0+1=1Y=0+1=1⁠,Y‾\overline{Y}应为 0;正确式子(1+0)⋅0=0(1+0)\cdot0=0 ✓,错误式子1+0=11+0=1 ✗。

3. 对偶定理

对偶式的定义:对任意逻辑式YY⁠,把其中的"·"换成"+","+"换成"·",0 换成 1,1 换成 0(变量不动),得到的新式子叫YY的对偶式,记作YDY^D⁠。

例如:

  • Y=A(B+C)Y=A(B+C)⁠,则YD=A+BCY^D=A+BC⁠;
  • Y=AB+CD‾Y=\overline{AB+CD}⁠,则YD=(A+B)(C+D)‾Y^D=\overline{(A+B)(C+D)}(长横线照留);
  • Y=AB+C+D‾Y=AB+\overline{C+D}⁠,则YD=(A+B)⋅CD‾Y^D=(A+B)\cdot\overline{CD}⁠。

对偶定理:如果两个逻辑式相等,那么它们的对偶式也相等。

用途:

  1. 公式"买一送一"。回头看基本公式表,(1) 和 (11)、(2) 和 (12)……(8) 和 (18) 两两互为对偶。只要证明了左边一列,右边一列自动成立。
  2. 有时证明对偶式相等比证明原式容易。

例题 7:用对偶定理证明 (17)

要证A+BC=(A+B)(A+C)A+BC=(A+B)(A+C)⁠。

两边分别写对偶式:左边A+BCA+BC的对偶式是A(B+C)A(B+C)⁠;右边(A+B)(A+C)(A+B)(A+C)的对偶式是AB+ACAB+AC⁠。

而A(B+C)=AB+ACA(B+C)=AB+AC就是普通的乘法分配律 (7),显然成立。由对偶定理,原式 (17) 也成立。

例题 8:由常用公式得到新公式

对公式 (22) A+A‾B=A+BA+\overline{A}B=A+B两边取对偶:

A(A‾+B)=ABA(\overline{A}+B)=AB

对冗余项定理 (25) 取对偶:

(A+B)(A‾+C)(B+C)=(A+B)(A‾+C)(A+B)(\overline{A}+C)(B+C)=(A+B)(\overline{A}+C)

这两个新公式在化简"或与式"时很有用,而且不用再证明。

反演和对偶的区别(必考辨析)

反演(求Y‾\overline{Y}⁠) 对偶(求YDY^D⁠)
"·" ↔ "+" 换 换
0 ↔ 1 换 换
原变量 ↔ 反变量 换 不换
得到的是 反函数,和YY的值处处相反 对偶式,一般不是 YY的反
运算顺序、长横线 保持 保持

例如Y=ABY=AB⁠:反函数Y‾=A‾+B‾\overline{Y}=\overline{A}+\overline{B}⁠,对偶式YD=A+BY^D=A+B⁠。A=1,B=0A=1,B=0时,Y=0Y=0⁠,Y‾=1\overline{Y}=1⁠,YD=1Y^D=1⁠;A=B=0A=B=0时,Y‾=1\overline{Y}=1而YD=0Y^D=0——两者不是一回事。

易错点 ⚠️

  • 反演时忘记补括号,是失分最多的地方。
  • 反演时把长横线也去掉了,是第二多的错误。
  • 把对偶式当成反函数。记住:对偶不换变量。
  • 对一个式子取两次对偶,会回到它本身:(YD)D=Y(Y^D)^D=Y⁠。

五、综合运用:证明等式的三种思路

到这里,我们手上已经有三类工具:真值表、公式推导、对偶定理。证明一个逻辑等式时,可以按下面的顺序考虑:

  1. 变量少(2–3 个)时,真值表最稳:不需要技巧,不会漏情况,考试时间允许就用它。
  2. 想看出"为什么相等"时,用公式推导:通常是"先展开(乘开括号),再用吸收、并项、冗余项把多余的项消掉"。
  3. 原式是"或与式"、不好推时,试试对偶:先证明两边的对偶式相等,再由对偶定理得到原式。

例题 9:用公式推导证明(A+B)(A‾+C)=AC+A‾B(A+B)(\overline{A}+C)=AC+\overline{A}B

第 1 步:把左边乘开。

(A+B)(A‾+C)=AA‾+AC+A‾B+BC(A+B)(\overline{A}+C)=A\overline{A}+AC+\overline{A}B+BC

第 2 步:用互补律消掉AA‾=0A\overline{A}=0⁠。

=AC+A‾B+BC=AC+\overline{A}B+BC

第 3 步:找冗余项。 ACAC和A‾B\overline{A}B中AA一原一反,剩余因子乘积CBCB正是第三项,删去:

=AC+A‾B=AC+\overline{A}B

等于右边,得证。

这个结果本身也很有用:一个"或与式"(A+B)(A‾+C)(A+B)(\overline{A}+C)可以直接写成与或式AC+A‾BAC+\overline{A}B——含AA的那个括号里的"另一个因子"去和A‾\overline{A}配,含A‾\overline{A}的括号里的"另一个因子"去和AA配。

例题 10:几条关于异或、同或的恒等式

上一讲学过A⊕B=AB‾+A‾BA\oplus B=A\overline{B}+\overline{A}B⁠,A⊙B=AB+A‾ B‾A\odot B=AB+\overline{A}\,\overline{B}⁠。用本讲的公式可以证明下面几条(都可以用真值表核对):

恒等式 说明
A⊕B‾=A⊙B\overline{A\oplus B}=A\odot B 异或的反是同或(练习 6 用德·摩根证明)
A⊕B‾=A‾⊕B=A⊙BA\oplus\overline{B}=\overline{A}\oplus B=A\odot B 一个输入取反,异或就变同或
A‾⊕B‾=A⊕B\overline{A}\oplus\overline{B}=A\oplus B 两个输入都取反,结果不变
A(B⊕C)=AB⊕ACA(B\oplus C)=AB\oplus AC 与对异或满足分配律

以第二条为例:A⊕B‾=A⋅B‾‾+A‾⋅B‾=AB+A‾ B‾=A⊙BA\oplus\overline{B}=A\cdot\overline{\overline{B}}+\overline{A}\cdot\overline{B}=AB+\overline{A}\,\overline{B}=A\odot B⁠。这里用的是代入定理——把异或公式里的BB全部换成B‾\overline{B}⁠,再用还原律B‾‾=B\overline{\overline{B}}=B⁠。

这些式子在设计奇偶校验电路、加法器(第 11 讲)时会反复出现:比如手头只有异或门却需要同或,只要把其中一个输入先取反即可。


速记卡

类别 公式
0-1 律 0⋅A=00\cdot A=0⁠,1+A=11+A=1⁠;1⋅A=A1\cdot A=A⁠,0+A=A0+A=A
重叠律 AA=AAA=A⁠,A+A=AA+A=A
互补律 AA‾=0A\overline{A}=0⁠,A+A‾=1A+\overline{A}=1
分配律 A(B+C)=AB+ACA(B+C)=AB+AC⁠;A+BC=(A+B)(A+C)A+BC=(A+B)(A+C)
德·摩根 AB‾=A‾+B‾\overline{AB}=\overline{A}+\overline{B}⁠,A+B‾=A‾ B‾\overline{A+B}=\overline{A}\,\overline{B}(多变量同样成立)
还原律 A‾‾=A\overline{\overline{A}}=A
吸收 (21) A+AB=AA+AB=A
(22) A+A‾B=A+BA+\overline{A}B=A+B
并项 (23) AB+AB‾=AAB+A\overline{B}=A
(24) A(A+B)=AA(A+B)=A
冗余项 (25) AB+A‾C+BC(D)=AB+A‾CAB+\overline{A}C+BC(D)=AB+\overline{A}C
(26) AAB‾=AB‾A\overline{AB}=A\overline{B}⁠,A‾ AB‾=A‾\overline{A}\,\overline{AB}=\overline{A}
代入定理 等式中某变量全部换成同一个式子,等式仍成立
反演定理 ·↔+,0↔1,原↔反 → Y‾\overline{Y}⁠;保顺序(补括号),长横线不动
对偶定理 ·↔+,0↔1,变量不动 → YDY^D⁠;原式相等则对偶式相等
禁忌 不能移项、不能约分;AB‾≠A‾ B‾\overline{AB}\neq\overline{A}\,\overline{B}

自测练习

1. 用真值表证明A+A‾B=A+BA+\overline{A}B=A+B⁠。

答案与提示
AA BB A‾B\overline{A}B A+A‾BA+\overline{A}B A+BA+B
0 0 0 0 0
0 1 1 1 1
1 0 0 1 1
1 1 0 1 1

最后两列相同,得证。

2. 化简Y=AB+ABC+AB‾Y=AB+ABC+A\overline{B}⁠。

答案与提示

AB+ABC=ABAB+ABC=AB(吸收律 21,ABCABC含ABAB的全部因子);AB+AB‾=AAB+A\overline{B}=A(并项 23)。所以Y=AY=A⁠。

3. 化简Y=AC‾+A‾B+BC‾Y=A\overline{C}+\overline{A}B+B\overline{C}⁠。

答案与提示

AC‾A\overline{C}与A‾B\overline{A}B中AA一原一反,剩余因子乘积为C‾B\overline{C}B⁠,正好是第三项,按冗余项定理删去:Y=AC‾+A‾BY=A\overline{C}+\overline{A}B⁠。

4. 用反演定理求Y=AB‾+C‾DY=A\overline{B}+\overline{C}D的反函数,并展开成与或式。

答案与提示

Y‾=(A‾+B)(C+D‾)\overline{Y}=(\overline{A}+B)(C+\overline{D})(两个与项各补括号)。

展开:Y‾=A‾C+A‾ D‾+BC+BD‾\overline{Y}=\overline{A}C+\overline{A}\,\overline{D}+BC+B\overline{D}⁠。

5. 写出Y=(A+B‾)(C+D)Y=(A+\overline{B})(C+D)的对偶式和反函数。

答案与提示

对偶式(变量不动):YD=AB‾+CDY^D=A\overline{B}+CD⁠。

反函数(变量也换):Y‾=A‾B+C‾ D‾\overline{Y}=\overline{A}B+\overline{C}\,\overline{D}⁠。

对比一下,两者只差在变量的原反上。

6. 用德·摩根定理证明AB‾+A‾B‾=AB+A‾ B‾\overline{A\overline{B}+\overline{A}B}=AB+\overline{A}\,\overline{B}(即"异或的反是同或")。

答案与提示 AB‾+A‾B‾=AB‾‾⋅A‾B‾=(A‾+B)(A+B‾)\overline{A\overline{B}+\overline{A}B}=\overline{A\overline{B}}\cdot\overline{\overline{A}B}=(\overline{A}+B)(A+\overline{B})

乘开:A‾A+A‾ B‾+AB+BB‾=0+A‾ B‾+AB+0=AB+A‾ B‾\overline{A}A+\overline{A}\,\overline{B}+AB+B\overline{B}=0+\overline{A}\,\overline{B}+AB+0=AB+\overline{A}\,\overline{B}⁠。得证。

7. 判断对错,错的举反例:(a) 若A+B=A+CA+B=A+C⁠,则B=CB=C⁠;(b) 若AB=ACAB=AC⁠,则B=CB=C⁠;(c) A+BC=(A+B)(A+C)A+BC=(A+B)(A+C)⁠;(d) AB‾=A‾ B‾\overline{AB}=\overline{A}\,\overline{B}⁠。

答案与提示
  • (a) 错。反例A=1,B=0,C=1A=1,B=0,C=1⁠。
  • (b) 错。反例A=0,B=0,C=1A=0,B=0,C=1⁠。
  • (c) 对,分配律 (17)。
  • (d) 错。反例A=1,B=0A=1,B=0⁠:左边0‾=1\overline{0}=1⁠,右边0⋅1=00\cdot1=0⁠。正确的是AB‾=A‾+B‾\overline{AB}=\overline{A}+\overline{B}⁠。

8.(华师风格)化简Y=AB+A‾C+BC+A‾ C‾Y=AB+\overline{A}C+BC+\overline{A}\,\overline{C}⁠,并说明化简后最少需要哪些门实现(输入只提供原变量)。

答案与提示

第 1 步:AB+A‾C+BCAB+\overline{A}C+BC中BCBC为冗余项,得Y=AB+A‾C+A‾ C‾Y=AB+\overline{A}C+\overline{A}\,\overline{C}⁠。

第 2 步:A‾C+A‾ C‾=A‾\overline{A}C+\overline{A}\,\overline{C}=\overline{A}(并项 23),得Y=AB+A‾Y=AB+\overline{A}⁠。

第 3 步:由公式 (22) 的形式A‾+AB=A‾+B\overline{A}+AB=\overline{A}+B(把 (22) 中的AA代入A‾\overline{A}⁠),得Y=A‾+BY=\overline{A}+B⁠。

实现:1 个非门产生A‾\overline{A}⁠,1 个两输入或门。原来要 4 个与门加一个四输入或门,化简后只要 2 个门。(第 04 讲会系统地学化简方法。)


下一讲预告

第 03 讲:逻辑函数有哪几种表示方法——真值表、表达式、逻辑图、波形图如何互相转换,以及最小项、最大项和逻辑函数的标准形式。

👉 点击进入下一讲:第03讲|逻辑函数的表示方法:真值表、逻辑式、逻辑图、波形图与标准形式

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