◈ 看得见的离散数学

CHAPTER 07 / VISUAL MATH LAB

格与
布尔代数

从一幅“上下关系图”开始,学会找共同部分、拼成全集,再让同样的规则点亮一盏灯。

零基础起步图解 × 互动 × 动画
从第一幅图开始 ↓
{a,b}{a}{b}∅向上:包含更多向下:共同部分
01

先学会读「上下关系图」

向上走得到,才表示“小于等于”;左右位置不表示大小。

哈斯图 · 省略箭头、自己到自己、跨层连线

展开:偏序、最大与极大

偏序满足自反(a≤a)、反对称(a≤b 且 b≤a ⇒ a=b)、传递(a≤b 且 b≤c ⇒ a≤c)。任意两点不一定可比较。

最大元:大于等于所有元素;极大元:没有比它更大的元素。最大元若存在则唯一;极大元可能有多个。最小元与极小元对偶定义。有限非空偏序集一定有极大元、极小元,但可能没有最大元、最小元。

02

选两个点,找它们共同的上下界

最小上界叫“并” ∨,最大下界叫“交” ∧。

所选元素共同上界共同下界

↑ 最小上界 x ∨ y

↓ 最大下界 x ∧ y

完整结果已显示。可以播放搜索过程。

展开:怎样才是格?

上界 u 需要同时满足 x≤u、y≤u;最小上界还必须小于等于每个共同上界。下界及最大下界反向定义。“最小上界”不是随便找一个处于上方的点。

格:任意两个元素都有唯一的最小上界和最大下界。只验证一对不够;一对失败就不是格。子集格中,∨=∪,∧=∩;正因数整除格中,∨=最小公倍数,∧=最大公因数。

03

同一个格,两种看法

一幅上下关系图,也可以变成两种运算。

关系视角

AB
A ⊆ B

运算视角

A ∩ B = AA ∪ B = B
a ≤ b ⇔ a∧b = a ⇔ a∨b = b

格的四条基本规律 · 点击查看图解

展开:代数定义如何对应偏序定义?

非空集合上的两种二元运算 ∧、∨,若各自满足交换律、结合律,并满足两条吸收律,就构成格(幂等律可由这些规律推出,常一起列出)。定义 a≤b ⇔ a∧b=a,就得到对应的偏序。

反过来,偏序中的每对元素若都有最小上界与最大下界,用它们定义 ∨、∧,就得到这些规律。分配律是额外要求,不是所有格都满足。

04

“格”不一定能分配

同一条式子,换一个格,结果可能变了。

先合并 b、c,再与 a 取交

分别取交,再合并

展开:分配格的定义

对所有 a,b,c,a∧(b∨c)=(a∧b)∨(a∧c),并且 a∨(b∧c)=(a∨b)∧(a∨c),称为分配格。在格中,两条分配律互相等价。

子集格中就是集合的交、并分配律。M₃ 中取三个互不可比的中间点 a,b,c:左边 a∧1=a,右边 0∨0=0,构成反例。

05

补元:拼满全部,重叠为空

必须同时满足“并到顶”和“交到底”。

点击一个候选 y,试试能否成为补元

展开:有界格、有补格、唯一性

有界格有最小元 0 和最大元 1,这里是符号名称,不一定是数字。y 是 x 的补元,要求 x∨y=1 且 x∧y=0。

有界格中每个元素都有补元,才叫有补格。有补格的补元未必唯一;分配格中若补元存在则唯一。非空有限格一定有界,无限格不一定(例如整数按通常大小排列)。

06

布尔代数:让这些规则一起成立

有界 + 分配 + 每个元素有补元。

↕
有界有底 0、有顶 1
⇄
分配两种运算可分配
◐
有补每个元素有补元
=
布尔代数补元自动唯一

把抽象符号变成一盏灯

同一种结构∧ 交∨ 并补0 / 1
集合共同部分 ∩合并 ∪相对全集的余下部分∅ / 全集 U
真假逻辑与 AND或 OR非 NOT假 / 真

布尔代数不只含 0、1 两个元素。全集有 n 个元素时,它的全部子集构成含 2ⁿ 个元素的布尔代数。

07

德摩根律:把“非”推到里面

与、或互换,每个输入都取反。

这也是集合规律:(A∩B)ᶜ=Aᶜ∪Bᶜ,(A∪B)ᶜ=Aᶜ∩Bᶜ。

08

现在,你能分清它们了

先看每对元素的界,再看分配和补元。

图的例子是格分配有补布尔代数
四点子集格✓✓✓✓
三点链✓✓××
五点菱形 M₃✓×✓×
两上界互不可比的反例×——×