• Ei tuloksia

Lausetta 6.5 käytetään usein Boolen algebran määritelmänä, ks. [8, s.

130-131].

Määritelmä 6.6. Boolen algebran A (Boolen) alialgebra B on epätyhjä os-ajoukko, jossa mille tahansa alkiolle x, y ∈B myös(x∨y),(x∧y), x ∈B.

6.2 Boolen rengas

Tässä aliluvussa määritellään Boolen rengas ja näytetään, kuinka Boolen algebrasta voidaan konstruoida Boolen rengas ja päinvastoin. Käydään ensin läpi renkaan määritelmä ja muita tarvittavia määritelmiä.

Määritelmä 6.7. [7, s. 40]Rengas on epätyhjä joukkoR, joka on varustettu kahdella joukon Rbinäärioperaatiolla+ja·siten, että ehdot 1-8 toteutuvat.

Kaikilla x, y, z ∈R pätee

(1) Jos x∈R ja y∈R, niin x+y∈R, (2) x+ (y+z) = (x+y) +z,

(3) x+y=y+x,

(4) On olemassa alkio 0∈R siten, että x+ 0 =x= 0 +x kaikilla x∈R, (5) Yhtälölle x+a= 0 on ratkaisu x joukossa R kaikilla a∈R,

(6) Jos x∈R ja y∈R, niin x·y ∈R, (7) x·(y·z) = (x·y)·z,

(8) x·(y+z) = (x·y) + (x·z) ja (x+y)·z = (x·z) + (y·z).

Määritelmä 6.8. Kommutatiivinen rengas on rengas R, joka toteuttaa eh-don

(9) x·y=y·x.

Määritelmä 6.9. [7, s. 40] Ykkösellinen rengas on rengas R, joka sisältää alkion 1, jolle

(10) x·1 = x= 1·x kaikillax∈R.

Määritelmä 6.10. [7, s. 55] Olkoon R rengas ja r ∈ R. Määritellään yh-teenlaskulle

2r :=r+r ja kertolaskulle

r2 :=rr.

Määritellään nyt Boolen rengas.

Määritelmä 6.11. Rengas(R,+,·,0,1), joka on ykkösellinen rengas ja jossa kaikki alkiot ovat idempotentteja eli

r2 =r kaikilla r∈R, on Boolen rengas. [8, s. 131]

Lause 6.12. Boolen rengas on kommutatiivinen ja 2r= 0 kaikilla r∈R.

Todistus. [8, s. 132] Olkoon R Boolen rengas. Osoitetaan ensin, että2r = 0.

Voidaan päätellä, että

2r=r+r= (r+r)2 =r2+ 2rr+r2 =r+ 2r+r =r+r+ 2r.

Ehdosta 2r=r+r+ 2r saadaan lisäämällä−2r puolittain 0 = 2r.

Osoitetaan seuraavaksi, että Boolen rengas on kommutatiivinen. Renkaan laskusääntöjen nojalla

x+y= (x+y)2 =x2+ 2xy+y2 =x+ 2xy+y=x+y+ 2xy ja

y+x= (y+x)2 =y2+ 2yx+x2 =y+yx+x=x+y+ 2yx.

Yhteenlaskun vaihdannaisuuden perusteella x+y=y+x

⇔x+y+ 2xy=x+y+ 2yx

⇔2xy= 2yx

⇔xy=yx

eli Boolen rengas on kommutatiivinen. □ Minkä tahansa Boolen algebran alkioista voidaan muodostaa rengas mää-rittelemällä kertolasku infimumiksi ja yhteenlasku symmetriseksi erotukseksi [2, s. 47]. Joukko-opin mielessä symmetrinen erotus tarkoittaa, että joukko-jen yhdisteestä otetaan pois niiden leikkaus. Seuraavassa lauseessa esitetään Boolen algebrasta tällä tavoin muodostettu Boolen rengas.

Lause 6.13. Olkoon (B,∧,∨,0,1,) Boolen algebra ja määritellään sen bi-näärioperaatiot + ja · seuraavasti

x+y= (x∧y)∨(x∧y) ja

x·y=x∧y.

Näillä operaatioilla varustettuna B on Boolen rengas. [8, s. 132]

Todistus. [7, s. 410-411] Joukko B on suljettu operaatioiden +ja · suhteen, sillä se on suljettu operaatioiden ∨ ja ∧ suhteen.

Koska ∨ ja ∧ ovat vaihdannaisia, niin myös + on vaihdannainen:

x+y= (x∧y)∨(x∧y) = (x∧y)∨(x∧y) = (y∧x)∨(y∧x) =y+x.

Operaation + määritelmästä saadaan

(x+y) +z = [((x∧y)∨(x∧y))∧z]∨[((x∧y)∨(x∧y))∧z].

Tarkastellaan ensin komplementtia ((x∧y)∨(x∧y)), tälle saadaan esitys ((x∧y)∨(x∧y)) = (x∧y)∧(x∧y) (L10)

= (x ∨(y))∧((x)∨y) (L10)

= (x ∨y)∧(x∨y) (L9)

= [(x∨y)∧x]∨[(x∨y)∧y] (L6)

= [(x∧x)∨(x∧y)]∨[(x ∧y)∨(y∧y)] (L2), (L6)

= [0∨(x∧y)]∨[(x ∧y)∨0] (L8)

= (x∧y)∨(x∧y). Lause 6.5, 2.

Tämän tuloksen sekä operaatioiden ∨ ja ∧ distributiivisuuden, liitännäisyy-den ja vaihdannaisuuliitännäisyy-den avulla saadaan

(x+y) +z = [((x∧y)∨(x ∧y))∧z]∨[((x∧y)∨(x ∧y))∧z]

= [((x∧y)∧z)∨((x∧y)∧z)]∨[((x∧y)∧z)∨((x∧y)∧z)]

= (x∧y∧z)∨(x∧y∧z)∨(x∧y∧z)∨(x∧y∧z).

Operaation + vaihdannaisuuden, edellisen tuloksen ja operaatioiden ∨ ja ∧ vaihdannaisuuden perusteella saamme

x+ (y+z) = (y+z) +x

= (y∧z∧x)∨(y∧z∧x)∨(y∧z∧x)∨(y∧z∧x)

= (x∧y∧z)∨(x∧y∧z)∨(x∧y∧z)∨(x∧y∧z)

= (x+y) +z.

Näin ollen yhteenlasku on liitännäinen. Nolla-alkio on 0 koska Lauseiden 6.5 ja 6.4 perusteella

x+ 0 = (x∧0)∨(x∧0)

= (x∧1)∨(x∧0) Lause 6.4,(2)

=x∨(x ∧0) Lause 6.5,(2)

= (x∨x)∧(x∨0) (L6’)

= 1∧(x∨0) (L8)

=x∨0 Lause 6.5,(2)

=x. Lause 6.5,(2)

Jokainen x∈B on itsensä vasta-alkio, sillä Lauseen 6.5 perusteella x+x= (x∧x)∨(x∧x) = 0∨0 = 0.

Lauseesta 6.5 seuraa, että kertolasku ·eli∧on vaihdannainen ja liitännäinen ja että 1 on ykkösalkio. Kertolasku on idempotentti sillä

x·x=x∧x

=x∧(x∨0) (L4)

=x. Lause 6.5,(2)

Lopuksi on vielä osoitettava, että distributiivisuus on voimassa:

xy+xz = [(x∧y)∧(x∧z)]∨[(x∧y) ∧(x∧z)]

= [(x∧y)∧(x∨z)]∨[(x∨y)∧(x∧z)] (L10)

= [((x∧y)∧x)∨((x∧y)∧z)]∨[(x∧(x∧z))∨(y ∧(x∧z))] (L6), (L2)

= ((x∧x)∧y)∨(x∧(y∧z))∨((x∧x)∧z)∨(y∧(x∧z)) (L2), (L3)

= (0∧y)∨(x∧(y∧z))∨(0∧z)∨(x∧(y∧z)) Lause 6.5,3

= 0∨(x∧(y∧z))∨0∨(x∧(y∧z)) Lause 6.4,1

= (x∧(y∧z))∨(x∧(y∧z)) Lause 6.5,2

=x∧[(y∧z)∨(y ∧z)] (L6)

=x·(y+z)

□ Kääntäen jokaisen Boolen renkaan avulla voidaan konstruoida Boolen algebra seuraavasti.

Lause 6.14. Olkoon (R,+,·,0,1) Boolen rengas. Määritellään binääriope-raatiot ∨ ja ∧ sekä unaarioperaatio joukossa R seuraavasti

x∧y=xy, x∨y=x+y+xy,

x = 1 +x.

Tällöin (R,∧,∨,0,1,) on Boolen algebra. [8, s. 132]

Todistus. Osoitetaan, että Lauseen 6.5 kaikki kohdat ovat voimassa joukossa R binäärioperaatioilla ∨ja ∧.

(1) On selvää, että ∧ on liitännäinen ja vaihdannainen. Selvästi myös ∨ on vaihdannainen. Osoitetaan binäärioperaation ∨liitännäisyys: Koska

(x∨y)∨z = (x+y+xy)∨z =x+y+xy+z+z(x+y+xy)

=x+y+z+xy+xz+yz+xyz ja

x∨(y∨z) =x∨(y+z+yz) = x(y+z+yz) +x+y+z+yz

=x+y+z+xy+xz+yz +xyz, niin (x∨y)∨z =x∨(y∨z) eli∨ on liitännäinen.

Osoitetaan vielä, että distributiivisuus on voimassa. Koska x∧(y∨z) =x(y+z+yz) =xy+xz+xyz ja

(x∧y)∨(x∧z) =xy∨xz=xy+xz+xyxz =xy+xz+x2yz

=xy+xz+xyz,

niin x∧(y∨z) = (x∧y)∨(x∧z). Myös toinen distributiivisuuslaki pätee, sillä

x∨(y∧z) = x+yz+xyz

ja hyödyntäen Määritelmää 6.11 ja Lausetta 6.12 saadaan (x∨y)∧(x∨z) = (x+y+xy)∧(x+z+xz)

=xx+xz+xxz+yx+yz+yxz+xyx+xyz+xyxz

=x+xz+xz+yx+yx+yz+xyz +xyz+xyz

=x+yz+xyz+ 2xz+ 2xy+ 2xyz

=x+yz+xyz,

eli x∨(y∧z) = (x∨y)∧(x∨z). Näin on osoitettu, että distributiivisuus pätee.

(2) Näytetään seuraavaksi nolla- ja ykkösalkion olemassaolo. Suoraan mää-ritelmästä saadaan

x∨0 = x+ 0 +x0 =x

kaikilla x ∈ R, sillä jokaisessa renkaassa nolla-alkiolla kertominen tuottaa nollan. Lisäksi

x∧1 = x1 =x kaikilla x∈R.

(3) Lopuksi, jokaisella alkiolla on olemassa komplementti, sillä kaikilla x∈R alkio x = 1 +x toteuttaa

x∨x =x+x+xx =x+ 1 +x+x(1 +x) = 1 + 2x+x+x2 = 1 + 2x+ 2x= 1 ja

x∧x =xx =x(1 +x) = x+x2 =x+x= 2x= 0.

Koska Lauseen 6.5 kaikki kohdat ovat voimassa joukossa R binääriope-raatioilla ∨ ja ∧, niin (R,∧,∨,0,1,) on Boolen algebra. □

7 Propositiologiikka

Tässä luvussa tarkastellaan proposiotilogiikan yhteyttä Boolen algebroihin.

Ensin esitellään lyhyesti propositiologiikka ja lopuksi osoitetaan, että joukko B, joka sisältää lauseilla, binäärioperaatiolla ∨, ∧, unaarioperaatiolla ja sulkeilla muodostettua loogisia lauseita on Boolen algebra.

Propositio eli väitelause tai lyhyesti lause on toteava väite, joka on joko tosi tai epätosi. Johdettuja lauseita voidaan muodostaa loogisten konnektii-vien avulla. Jos p ja q ovat lauseita, niin johdettu lause "p ja q"esitetään muodossa p∨q. Johdettu lause "ptai q"ilmaistaan muodossap∧q. Lauseen pnegaatio ilmaistaan muodossap. Johdettujen lauseiden totuusarvo riippuu siihen sisältyvien lauseiden totuusarvoista. Taulokoissa 1, 2 ja 3 on esitetty totuusarvot konnektiiveille ∨ja ∧ sekä negaatiolle .

p q p∧q

T T T

T E E

E T E

E E E

Taulukko 1:p ja q

p q p∨q

T T T

T E T

E T T

E E E

Taulukko 2:p tai q

p p

T E

E T

Taulukko 3: Negaatio

Olkoon p1, p2,· · · , pn lauseita. Kaksi johdettua lausetta, jotka on muo-dostettu käyttämällä pi, ∨, ∧, ja sulkeita, ovat ekvivalentteja, jos niillä on sama totuusarvo kaikilla mahdollisilla lauseiden p1, p2,· · · , pn totuusarvojen yhdistelmillä.

Lause 7.1. Olkoon p1, p2,· · · , pn lauseita ja olkoon B kaikkien lauseiden joukko, joka voidaan muodostaa käyttämällä pi, ∨, ∧, ja sulkeita. Tällöin B varustettuna binäärioperaatioilla ∨ ja ∧ on Boolen algebra.

Todistus. [7, s. 417-418] Jos p ja q ovat lauseita, jotka ovat muodostettu käyttämällä pi, ∨,∧, ja sulkeita, niin sama pätee myös johdetuille lauseille p∨q ja p∧q. Siispä∨ ja ∧ ovat binäärioperaatioita joukossaB.

Osoitetaan Lauseen 6.5 avulla, ettäB varustettuna binäärioperaatioilla∨ ja∧on Boolen algebra. Lauseen 6.5 mukaan∨ja∧täytyy olla vaihdannaisia, liitännäisiä ja distributiivisia. Olkoon p, q, r joukkoon B kuuluvia lauseita.

Ensimmäiseksi näytetään toteen vaihdannaisuus. On selvää, että p∨ q ja q ∨ p saavat samat totuusarvot kaikilla lauseiden p ja q totuusarvojen yhdistelmillä, joten p∨qjaq∨povat ekvivalentteja eli p∨q=q∨p. Samoilla perusteilla myös p∧q=q∧p.

Toiseksi näytetään, että liitännäisyys on voimassa. Tarkastellaan johdet-tujen lauseiden (p∨ q)∨ r ja p ∨(q ∨ r) totuustauluja, jotka on esitetty

Koska johdettujen lauseiden(p∨q)∨r jap∨(q∨r)sarakkeiden totuusar-vot ovat samat, ne ovat ekvivalentteja eli (p∨q)∨r =p∨(q∨r). Vastaavalla tarkastelulla voidaan osoittaa, että(p∧q)∧r=p∧(q∧r). Viimeiseksi osoite-taan, että osittelulait ovat voimassa. Tarkastellaan totuustauluja johdetuille väitteille p∨(q∧r) ja (p∨q)∧(p∨r), jotka on esitetty Taulukossa 5.

Koska johdettujen lauseiden p∨(q∧r) ja (p∨q)∧(p∨r) sarakkeiden totuusarvot ovat samat, lauseet ovat ekvivalentteja eli p∨ (q∧ r) = (p∨ q)∧(p∨r). Vastaavasti voidaan todeta toisen osittelulain olevan voimassa eli p∧(q∨r) = (p∧q)∨(p∧r).

Joukko B sisältää johdettuja lauseita, jotka ovat aina epätosia. Esimer-kiksi lause p∧p on tällainen, kuten Taulukosta 6 näemme.

p q r q∧r p∨(q∧r) p∨q p∨r (p∨q)∧(p∨r)

Kaikki lauseet, jotka ovat aina epätosia ovat ekvivalentteja keskenään.

Olkoon 0 ∈ B lause, joka on aina epätosi. Jos p ∈ B, niin p∨ 0 on tosi ainoastaan silloin, kunpon tosi ja epätosi ainoastaan silloin, kunpon epätosi.

Näin ollen p∨0on ekvivalentti lauseen pkanssa eli p∨0 = pkaikillap∈B.

Edelleen p∨p = 0, koska p∧p on aina epätosi.

Vastaavasti mitkä tahansa kaksi lausetta, jotka ovat aina tosia, ovat ekvi-valentteja. Esimerkiksi p∨p on aina tosi, kuten Taulukosta 7 näemme.

p p p∨p

T E T

E T T

Taulukko 7:

Olkoon1∈Blause, joka on aina tosi. Vastaavalla päättelyllä kuin lauseen 0 tapauksessa voidaan osoittaa, että p∧1 =p ja p∨p = 1 kaikillap∈B.

On osoitettu, että B täyttää kaikki Lauseessa 6.5 esitetyt ehdot ja näin

ollen B on Boolen algebra. □

Propositiologiikassa tärkeitä käsitteitä ovat ehtolauseet implikaatio ja ekvi-valenssi. Implikaationp⇒qja ekvivalenssinp⇔qtotuustaulut ovat esitetty Taulukossa 8 .

Implikaatio voidaan ilmaista myös muodossa p ∨q ja ekvivalenssi muo-dossa (p ∨q)∧(q ∨p), kuten huomataan vertaamalla Taulukkojen 8 ja 9 totuustauluja.

p q p⇒q p⇔q

T T T T

T E E E

E T T E

E E T T

Taulukko 8: Implikaatio ja ekvivalenssi p q p q q∨p p ∨q (p∨q)∧(q∨p)

T T E E T T T

T E E T T E E

E T T E E T E

E E T T T T T

Taulukko 9:

Boolen algebran ominaisuuksia voidaan hyödyntää toisten loogisten ekvi-valenssien osoittamiseksi. Esimerkiksi ehtolause p⇒q on ekvivalentti kont-raposition q ⇒p kanssa, koska

(q ⇒p) = (q)∨p =q∨p =p∨q= (p⇒q).

Voidaan huomata, että konnektiivien "ja"sekä "tai"komplementit ovat oikeastaan De Morganin lait

(p∧q) =p∨q ja

(p∨q) =p∧q. Tautologia on johdettu lause, joka on aina tosi.

Esimerkki 7.2. Osoitetaan, että [p ⇒ (q∧r)] ⇔ [(p ⇒ q)∧(p ⇒ r)] on tautologia. Riittää osoittaa, että [p ⇒ (q∧r)] ja [(p ⇒ q)∧(p ⇒ r)] ovat ekvivalentteja. Käyttämällä Boolen algebran laskusääntöjä saadaan

[p⇒(q∧r)] = [p∨(q∧r)]

= (p∨q)∧(p∨r)

= [(p⇒q)∧(p⇒r)].

Lähteet

[1] Bilová, S. Lattice Theory - its birth and life teoksessa Mathematics th-roughout the ages toim. Fuchs E. Holbaek, Denmark, October 28-31, 1999, and Brno, the Czech Republic, November 2-5, 2000. (English).

Praha: Prometheus, 2001.

[2] Birkhoff, G. Lattice Theory. Providence, Rhode Island, 1979. third edi-tion.

[3] Eronen, M. Hilateoriaa. Tampereen yliopisto, 1999.

[4] Grätzer, G. General Lattice Theory. Academic press, New York, 1978.

[5] Garg, V.Lattice Theory with Applications. University of Texas at Austin [6] Harzheim, E. Ordered sets. Springer, New York. 2005.

[7] Hungerford, T. Abstract algebra, an introduction. Saunders College.

1990.

[8] Roman, S.Lattices and ordered sets. Springer cop, New York. 2008.