考研数电·零基础讲义 · 第 04 讲(上)|公式化简法
学完这一讲,你能说清什么叫"最简与或式",并会用并项、吸收、消因子、消项、配项五招,把一个冗长的逻辑式一步步化到最简。预计用时 2 小时。
本讲地图#
- 为什么要化简:式子越简,电路越省门、越省线,也越容易看懂功能。
- 最简与或式的标准:乘积项个数最少,每项里的变量个数也最少。
- 五招公式化简:并项法、吸收法、消因子法、消项法、配项法,每招都配大白话、公式拆解和例题。
- 华师怎么考:"化简逻辑函数"是数电部分的基本功(如 2026 回忆题第 5 题);公式法常用于小题和卡诺图之外的推导,以及组合电路分析题里把逐级写出的式子化简。
- 教材对应:阎石《数字电子技术基础》第六版 第 2 章 2.6.1 节。
前置知识#
- 与、或、非及复合运算(见第 02 讲上)。
- 逻辑代数基本公式、常用公式、摩根定理、代入定理(见第 02 讲下)。
- 最小项、∑m写法、"相邻最小项可合并"(见第 03 讲)。
一、为什么要化简#
大白话#
同一句话可以说得很啰嗦,也可以说得很干脆。逻辑函数也一样:同一个功能,可以写成很长的式子,也可以写成很短的式子。而式子里的每一项、每一个变量,到了电路里都是实打实的门和连线。式子越短,电路越便宜、越可靠,也更容易看出"它到底在干什么"。
看一个例子#
下面两个式子:
Y1=ABC+BC+ACD
Y2=AC+BC
分别列真值表会发现它们完全一样(∑m都相同)。但画成电路差别很大:
图 1:同一个逻辑功能,化简前要 3 个与门、11 个输入端;化简后只要 2 个与门、6 个输入端
为什么Y1=Y2? 先剧透一下推导(后面每一步都会讲到):
Y1=ABC+BC+ACD=C(AB+B)+ACD
括号里AB+B用消因子公式B+BA=B+A,得
Y1=C(A+B)+ACD=AC+BC+ACD
最后AC+ACD中,ACD是AC再乘个D,被AC "吸收"掉,于是Y1=AC+BC=Y2。
二、最简与或式的标准#
大白话#
"与或式"就是"先与后或"的式子:若干个乘积项(与项)用加号(或)连起来,例如AC+BC。它对应的电路正好是"一排与门 + 一个或门"两级结构。
"最简"有两个层次的要求,像整理行李:先让箱子个数最少,再让每个箱子里的东西最少。
正式标准#
一个与或式称为最简与或式,要同时满足:
- 乘积项的个数最少(对应与门个数最少);
- 在此前提下,每个乘积项里的变量(因子)个数最少(对应每个与门的输入端最少)。
逐行拆解#
- "乘积项":用"与"连起来的一组变量,如ABC。单独一个变量(如A)也算一个乘积项。
- "因子":乘积项里的每一个变量(原变量或反变量都算)。
- 判断顺序:先比项数,项数相同再比因子数。
为什么偏偏是"与或式"#
你可能会问:式子有那么多种写法,为什么偏偏以"与或式"为化简目标?原因有三:
- 最常见:由真值表直接写出来的就是与或式(第 03 讲),所以从与或式出发最自然。
- 两级电路,速度快:与或式对应"与门一级 + 或门一级",信号只经过两级门就到输出,延迟小。
- 容易转换:与或式用两次摩根定理就能变成"与非-与非"式,只用与非门一种器件就能实现(第 04 讲下)。
至于"先项数、后因子数"的顺序:每少一个乘积项,就少一个与门,同时或门少一个输入端;而每少一个因子,只是某个与门少一个输入端。前者省得更多,所以优先。
同样的道理,"最简或与式"要求或项(括号)个数最少、每个括号内变量最少。考试里不特别说明时,"化简"默认指化成最简与或式。
⚠️ 易错点:
- 最简与或式不一定唯一,可能有两个项数、因子数都一样的答案,都算对。
- 化简后一定要验算:任取几组输入代入原式和结果,看是否相等;最保险是比较两者的∑m。
三、第一招:并项法#
图 2:公式化简五招速查表,看到式子的"特征"就知道用哪一招
大白话#
两个乘积项,如果其他部分完全一样,只有一个变量一个是原、一个是反,那这个变量"是 0 还是 1 都无所谓",可以直接丢掉。就像"下雨我去,不下雨我也去"等于"我去"。
AB+AB=A
逐行拆解#
- 两项的公共部分是A;不同的只有B和B。
- 推导:AB+AB=A(B+B)=A⋅1=A。
- 由代入定理,这里的A、B可以是任意复杂的式子,不一定是单个变量。
例 1:化简Y=ABC+ABC。
解:公共部分AB,不同的是C与C:
Y=AB(C+C)=AB
例 2:化简Y=A(B⊕C)+A(B⊕C)。
解:把B⊕C整体看成一个变量X,就是AX+AX=A:
Y=A
例 3:化简Y=ABC+ABC+ABC+ABC。
解:两两并项,再并一次:
Y=AB(C+C)+AB(C+C)=AB+AB=B(A+A)=B
例 4:化简Y=AB+ACD+AB+ACD。
解:按A和A分组,各提公因式:
Y=A(B+CD)+A(B+CD)
这时两组的"其他部分"都是(B+CD),只差A、A,并项:
Y=B+CD
⚠️ 易错点:并项要求"只差一个变量"。ABC+ABC差了B、C两个,不能直接并成A!
四、第二招:吸收法#
大白话#
"张三来了"和"张三和李四都来了"放在一起用"或"连接,结果只取决于张三:张三来了,整个式子就成立;张三没来,第二句也不可能成立。所以长的那项被短的那项"吸收"了。
A+AB=A
逐行拆解#
- AB里包含了A(A是AB的一部分),所以AB多余。
- 推导:A+AB=A(1+B)=A⋅1=A。
- 判断口诀:一个乘积项如果包含另一个乘积项的全部因子,它就是多余的。
例 5:化简Y=AB+ABCD。
解:ABCD包含了AB的全部因子,被吸收:Y=AB。
例 6:化简Y=AB+ABCD(E+F)。
解:后一项=AB⋅[CD(E+F)],包含AB,被吸收:Y=AB。
例 7:化简Y=(A+B)+(A+B)CD。
解:把(A+B)看成整体X,就是X+XCD=X:Y=A+B。
⚠️ 易错点:吸收要求"完全包含"。AB+ABC中第二项含的是B不是B,不能被AB吸收(它要用下一招)。
五、第三招:消因子法#
大白话#
A+AB:只要A=1,整个式子已经是 1;只有在A=0时才轮到第二项说话,而此时A=1本来就成立,所以第二项里的A是句"废话",可以删掉。就像"要么你有门禁卡,要么(你没卡并且)有人带你进",括号里那句"你没卡"其实是多余的。
A+AB=A+B
逐行拆解#
- 一项是A,另一项里含有A的反A ——这个A因子可以消去。
- 推导(用分配律X+YZ=(X+Y)(X+Z)):A+AB=(A+A)(A+B)=1⋅(A+B)=A+B。
- A、B同样可以是复杂式子,尤其常见A是一个乘积项、A用摩根定理拆开后才看出来的情形。
例 8:化简Y=A+AB。
解:这里"A"的角色是A,另一项含它的反A,消掉:Y=A+B。
例 9:化简Y=AB+AC+BC。
解:后两项提出C:
Y=AB+(A+B)C
由摩根定理,A+B=AB,所以
Y=AB+ABC
把AB看成整体X:X+XC=X+C,得
Y=AB+C
例 10:化简Y=A+AB+ABC。
解:先A+AB=A+B;再(A+B)+ABC,注意AB=A+B,于是又是X+XC=X+C:
Y=A+B+C
⚠️ 易错点:消因子消的是"另一项里的那个反因子",不是把整项删掉。A+AB化完是A+B,不是A。
六、第四招:消项法#
大白话#
有一个变量A,一项里带A(AB),另一项里带A(AC)。那么无论A是 0 还是 1,总有一项是"值班的":A=1时AB值班,看B;A=0时AC值班,看C。这时如果再来一项BC——它要求B、C都为 1——那它成立时,不管A是几,前两项中总有一项已经成立了。所以BC是多余的"替补"。
BC这一项常叫做AB与AC的"冗余项"(也有书叫"一致项"):把两项中互反的那个变量去掉,剩下的部分乘起来就是它。
AB+AC+BC=AB+AC
推广:
AB+AC+BCD=AB+AC
逐行拆解#
推导(配项 + 吸收):
BC=BC(A+A)=ABC+ABC
而ABC被AB吸收,ABC被AC吸收,所以BC整个是多余的。BCD包含BC,当然更多余。
认出来的方法:找一对"一个含X、一个含X"的项,把X、X去掉后剩下的部分乘起来,看式子里有没有这一项(或包含它的项)。有,就删掉。
例 11:化简Y=AB+AC+BCD。
解:AB与AC去掉A、A后剩B、C,冗余项是BC;BCD包含BC,删掉:
Y=AB+AC
例 12:化简Y=AC+BC+AB。
解:这次互反的变量是C:AC与BC去掉C、C后剩A、B,冗余项是AB,正好在式子里,删掉:
Y=AC+BC
例 13:化简Y=AB+AC+BC+BCD。
解:先吸收:BCD被BC吸收。剩AB+AC+BC,AB与AC的冗余项是BC,删掉:
Y=AB+AC
⚠️ 易错点:被删的是"冗余项"(由另外两项拼出来的那一项),不是那两个带X、X的项。别把AB、AC删了。
七、第五招:配项法#
大白话#
有时候式子看着"无从下手",直接并、吸、消都用不上。这时可以先"加点料":要么把某一项多写一遍(A=A+A),要么给某一项乘个"1"(1=B+B)把它拆开,然后再和别的项合并。就像拼图卡住时,先把一块拆成两半,反而能拼上。
① 重复写某一项:
A=A+A
② 乘以 1 再拆开:
A=A(B+B)=AB+AB
例 14(重复写入):化简Y=ABC+ABC+ABC。
解:ABC能和ABC并项,也能和ABC并项。但它只有一个,怎么办?把它写两遍(ABC=ABC+ABC):
Y=(ABC+ABC)+(ABC+ABC)=BC+AC
例 15(乘 1 拆项):化简Y=AB+BC+AC+AC。
解:观察AC,它缺B,乘上(B+B)拆开:
AC=AC(B+B)=ABC+ABC
- ABC包含BC的全部因子 → 被BC吸收;
- ABC包含AB的全部因子 → 被AB吸收。
所以AC整项多余:
Y=AB+BC+AC
(其实这正是"消项法":AB与BC的冗余项是AC。配项法就是消项法背后的原理。)
⚠️ 易错点:配项是"手段"不是"目的"——加进去的项最后一定要被合并或吸收掉,否则式子反而变长了。
八、综合例题:五招交替使用#
真实题目很少只用一招。下面两道题演示"先观察,再出招"的思路。
例 16:化简Y=AB+ABC+AC+BCD+ACD。
解:
第 1 步:AB+ABC,提出A:A(B+BC),括号内用消因子法B+BC=B+C:
AB+ABC=A(B+C)=AB+AC
式子变成Y=AB+AC+AC+BCD+ACD。
第 2 步:AC+AC并项得C:
Y=AB+C+BCD+ACD
第 3 步:ACD包含C,被吸收:
Y=AB+C+BCD
第 4 步:C+C(BD),消因子法消去C:
Y=AB+C+BD
已经不能再化:3 项,每项因子最少。所以Y=AB+BD+C。
验算:取ABCD=0101(m5):原式AB=0,ABC=0,AC=0,BCD=1⋅1⋅1=1,所以Y=1;化简式BD=1,Y=1。✓(全部 16 行已用程序穷举核对。)
例 17:化简Y=AB+AC。
解:有大横线,先用摩根定理(反演)把它"拆开":
Y=AB⋅AC=(A+B)(A+C)
展开(每项乘每项):
Y=AA+AC+AB+BC=AC+AB+BC
(AA=0。)再看:AC与AB中A、A互反,冗余项是C⋅B=BC,正好在式中,消掉:
Y=AC+AB
小结:化简的一般顺序
- 有大横线,先用摩根定理去掉;有括号,先展开成与或式。
- 先找"能并的"(并项)、"被包含的"(吸收)。
- 再找"含反因子的"(消因子)、"冗余项"(消项)。
- 卡住了再配项。
- 最后验算。
⚠️ 易错点:公式法最大的问题是"不知道是不是已经最简"——没有固定步骤,可能停在一个"看着化不动"但其实还能再化的式子上。所以变量多(4 个及以上)时,优先用下一讲的卡诺图,它能保证找到最简。
九、顺带一提:最简或与式#
有时题目要"最简或与式"(若干括号相乘)。思路是:先求Y的最简与或式,再整体取反用摩根定理;或者直接用分配律X+YZ=(X+Y)(X+Z)。
例 18:求Y=AB+AC的最简或与式。
解:用X+YZ=(X+Y)(X+Z)的思路,可以验证
Y=(A+C)(A+B)
展开检查:(A+C)(A+B)=AA+AB+AC+BC=AB+AC+BC=AB+AC(最后一步消项)。✓
卡诺图求最简或与式的方法(圈 0)放在第 04 讲(中)。
或与式里的"五招":对偶公式#
由对偶定理(第 02 讲下),把上面每个公式里的"与"和"或"互换、0 和 1 互换,就得到或与式里的化简公式。它们在化简"括号相乘"的式子时很好用:
| 与或式里的招式 |
或与式里的对偶形式 |
| 并项AB+AB=A |
(A+B)(A+B)=A |
| 吸收A+AB=A |
A(A+B)=A |
| 消因子A+AB=A+B |
A(A+B)=AB |
| 消项AB+AC+BC=AB+AC |
(A+B)(A+C)(B+C)=(A+B)(A+C) |
例 19:化简Y=(A+B+C)(A+B+C)(A+C)。
解:前两个括号里A+B相同、只差C与C,用对偶的并项公式:
(A+B+C)(A+B+C)=A+B
所以Y=(A+B)(A+C),这已经是最简或与式。
十、证明题怎么写#
华师这类考试偶尔会出"证明下列等式"的小题。写法很简单:从较繁的一边出发,一步步化到另一边,每步注明用了什么公式;或者两边各自化成同一个式子。不要两边同时"移项"。
例 20:证明AB+AB=AB+AB。
证:从右边出发,用摩根定理拆开大横线:
AB+AB=AB⋅AB=(A+B)(A+B)
展开:
(A+B)(A+B)=AA+AB+AB+BB=AB+AB
等于左边,得证。这个等式说明:异或等于同或取反,即A⊕B=A⊙B。
另一种证法是列真值表:左右两边在 00、01、10、11 四组输入下的值分别是 0、1、1、0,完全一致。真值表法在变量少时最稳妥,也是合法的证明。
十一、怎么检查自己化对了没有#
化简是"等价变形",每一步都不能改变函数。考场上没有电脑,怎么确认自己没化错?推荐三种方法,由快到稳:
方法 1:代入几组特殊值。 挑几组输入,同时代入原式和结果,看值是否相同。优点是快;缺点是只能"发现错误",不能"证明正确"——碰巧几组都对,也可能在别的组合上错了。挑值时最好挑"让某一项单独为 1"的组合,比如例 16 里专门挑了让BCD=1的 0101。
方法 2:比较∑m。 用第 03 讲的"看项写编号"法,把原式和结果各自写成∑m,编号集合完全相同就一定等价。
以本讲开头的Y1=ABC+BC+ACD和Y2=AC+BC为例(变量顺序A,B,C,D):
- ABC:111x → 14、15;BC:x01x → 2、3、10、11;ACD:1x11 → 11、15。合起来Y1=∑m(2,3,10,11,14,15)。
- AC:1x1x → 10、11、14、15;BC:2、3、10、11。合起来Y2=∑m(2,3,10,11,14,15)。
两个集合一样,所以Y1=Y2。✓
方法 3:画卡诺图。 下一讲会学到,把两个式子各填一张卡诺图,图案一样就等价,而且还能顺便看出是不是最简。
本讲所有例题和练习的答案,都已经用程序把全部输入组合穷举了一遍,确认无误。
十二、常见错误大集合#
把同学们最容易犯的错误集中列出来,做题前扫一眼:
- 把"差两个变量"当成能并项。 ABC+ABC不等于A。只有"只差一个变量"才能并。
- 吸收方向弄反。 A+AB留下的是短的A,不是长的AB。记住:越短的项"管得越宽",长项被它覆盖。
- 消因子把整项删了。 A+AB=A+B,B还在!只删A这个因子。
- 消项删错对象。 AB+AC+BC里删的是BC(冗余项),AB和AC一个都不能动。
- 摩根定理用错。 AB=A+B,不是AB;A+B=AB,不是A+B。口诀"断开横线,变换符号":横线断开时,与变或、或变与。
- 把逻辑运算当普通算术。 A+A=A(不是2A),A⋅A=A(不是A2),1+1=1。
- 停得太早。 化到一半"看着挺简"就交卷。每化完一步都回头扫一遍:还有没有能并的、被包含的、含反因子的、冗余的?
- 普通代数的"移项、约分"乱用。 逻辑代数里没有减法和除法。由A+B=A+C 推不出 B=C(比如A=1时两边恒等,B、C可以不同);由AB=AC也推不出B=C。
速记卡#
| 招式 |
公式 |
识别特征 |
| 并项法 |
AB+AB=A |
两项只差一个变量的原/反 |
| 吸收法 |
A+AB=A |
一项包含另一项的全部因子 → 长项删掉 |
| 消因子法 |
A+AB=A+B |
一项里含另一项的"反" → 删这个反因子 |
| 消项法 |
AB+AC+BC=AB+AC |
X与X各带一项,二者剩余部分之积多余 |
| 配项法 |
A=A+A;A=A(B+B) |
卡住时先加料再合并 |
- 最简与或式:先项数最少,再每项因子最少;结果可能不唯一。
- 化简顺序:去大横线 → 展开 → 并、吸 → 消因子、消项 → 配项 → 验算。
- 验算:比较化简前后的∑m或代入几组值。
自测练习#
1. 化简Y=AB+AB+AB。
答案与提示
AB+AB=A(并项),再A+AB=A+B(消因子)。Y=A+B。
2. 化简Y=ABC+ABC+AB。
答案与提示
ABC+ABC=AB,AB+AB=A。Y=A。
3. 化简Y=AB+AC+BC。
答案与提示
消项法:BC是AB与AC的冗余项。Y=AB+AC。
4. 化简Y=A+ABC+AC。
答案与提示
A+A(BC)=A+BC;A+AC=A+C。所以Y=A+BC+C,再C+CB=C+B。Y=A+B+C。
5. 用配项法化简三人表决函数Y=ABC+ABC+ABC+ABC。
答案与提示
把ABC写三遍,分别与另外三项并项:(ABC+ABC)+(ABC+ABC)+(ABC+ABC)=BC+AC+AB。Y=AB+BC+AC。
6. 化简Y=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC,并说明结果是否唯一。
答案与提示
ABC+ABC=BC;ABC+ABC=BC;剩下的ABC可以和ABC并成AC(配项:ABC写两遍),也可以和ABC并成AB。所以Y=BC+BC+AC或Y=BC+BC+AB,两个都是最简与或式,结果不唯一。
7.(华师真题风格)化简Y=(A+B)(A+B)(A+C),并写出它的最简与或式。
答案与提示
(A+B)(A+B)=A+BB=A(分配律的对偶形式,相当于"或与式里的并项")。于是Y=A(A+C)=AA+AC=AC。Y=AC。
8. 化简Y=AB+ABC+AC+BCD+ACD后,求Y在ABCD=1000和0110时的值。
答案与提示
由例 16,Y=AB+BD+C。1000:AB=0,BD=0,C=0,Y=0。0110:C=1,Y=1。
下一讲预告#
公式法灵活但"没谱",下一讲(第 04 讲中)介绍有固定步骤、保证最简的图形化简法——卡诺图。
👉 点击进入下一讲:第04讲(中)|卡诺图化简法
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