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Algebra Booleana
Algebra Booleana
Algebra Booleana
ALGEBRA BOOLEANA
1. INTRODUCCION
El concepto moderno de algebra abstracta fue desarrollado por el matemático ingles George Boole en
su estudio de los sistemas abstractos generales, opuestos a los casos particulares de tales sistemas. En
su obra publicada en 1854, An Investigation of the Lows of Thought, creó un Sistema de lógica
matemática en términos que ahora llamamos álgebra booleana.
2. ALGEBRA DE BOOLE
Sea B un conjunto con al menos dos elementos. Se denomina álgebra de Boole a una estructura
algebraica que admite dos operaciones binarias ∧ 𝑦 ∨ en B, y una operación unitaria: la
complementación, que verifican los siguientes axiomas:
Se denomina proposición dual correspondiente a una proposición del algebra de Boole, a la que resulta
de ella cambiando ∨ 𝑝𝑜𝑟 ∧ y viceversa, así como 0 por 1 y viceversa. Por ejemplo, son duales las
siguientes proposiciones
𝑎 ∨ (𝑏 ∧ 𝑎) ⇔ 𝑎 ∧ (𝑏 ∨ 𝑎)
𝑎 ∧ (𝑏 ∨ 0) ⇔ 𝑎 ∨ (𝑏 ∧ 1)
(0 ∨ 1) ∧ 𝑎 ⇔ (1 ∧ 0) ∨ 𝑎
1) 𝑎 ∨ 𝑎 = 𝑎 , 𝑎∧𝑎 =𝑎
2) 𝑎 ∨ 1 = 1 , 𝑎∧0 =0
3) 𝑎 ∨ (𝑎 ∧ 𝑏) = 𝑎 , 𝑎 ∧ (𝑎 ∨ 𝑏) = 𝑎
4) ̅̅̅̅̅̅̅
𝑎 ∨ 𝑏 = 𝑎̅ ∧ 𝑏̅ , ̅̅̅̅̅̅̅
𝑎 ∧ 𝑏 = 𝑎̅ ∨ 𝑏̅
5) 𝑎̿ = 𝑎 , ̅=0
1 , ̅=1
0
Ahora se definirá una importante álgebra+ de Boole que será la base en las siguientes secciones.
Sea B={0,1} y sean ∨= + 𝑦 ∧= ∙ las operaciones binarias suma y producto lógico,
respectivamente, definidas como sigue:
+ 0 1
0 0 1
1 1 1
. 0 1
0 0 0
1 0 1
Así pues, es fácil demostrar que el conjunto B junto con las operaciones indicadas es un álgebra de
Boole. Asimismo el conjunto 𝐵𝑛 = {(𝑎1 , 𝑎2 , … . . , 𝑎𝑛 )⁄𝑎𝑖 ∈ 𝐵, 𝑖 = 1, 2, … … . , 𝑛} es un álgebra de
Boole.
Si 𝑎 = (𝑎1 , 𝑎2 , … . . , 𝑎𝑛 ) ∈ 𝐵𝑛 𝑦 𝑏 = (𝑏1 , 𝑏2 , … . . , 𝑏𝑛 ) ∈ 𝐵𝑛
Entonces
𝑎 + 𝑏 = (𝑎1 + 𝑏1 , 𝑎2 + 𝑏2 , … . . , 𝑎𝑛 + 𝑏𝑛 )
𝑎 ∙ 𝑏 = (𝑎1 𝑏1 , 𝑎2 𝑏2 , … . . , 𝑎𝑛 𝑏𝑛 )
𝑎̅ = (𝑎
̅̅̅,
1 ̅̅̅,
𝑎2 … . . , ̅̅̅)
𝑎𝑛
3. FUNCIONES BOOLEANAS
Sea 𝐵 = {0,1} y sea Bn , una función definida como 𝑓: 𝐵𝑛 → 𝐵 es una función booleana, o de
conmutación. Estas funciones pueden verse como funciones de n variables, donde cada uno
de ellas toma solo valores 0 y 1. A estas variables se denominan variables booleanas.
Ejemplo
Sea 𝑓: 𝐵3 → 𝐵 tal que 𝑓 (𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑥𝑧 + 𝑦 . Encuentre el valor de la función booleana, para
cada una de las 23 posibles asignaciones a las variables x, y, z.
Solución
Primero construyamos una tabla con las 8 posibles combinaciones de ceros y unos (ídem a una
tabla de verdad en lógica)
Luego, considerando la definición anterior para la suma y el producto lógico, se obtiene los
valores de la función booleana como sigue:
𝑥 𝑦 𝑧 𝑥𝑧 𝑓 = 𝑥𝑧 + 𝑦
0 0 0 0 0
0 0 1 0 0
0 1 0 0 1
0 1 1 0 1
1 0 0 0 0
1 0 1 1 1
1 1 0 0 1
1 1 1 1 1
3.1. PROPIEDADES
Sean 𝑓, 𝑔, ℎ: 𝐵𝑛 → 𝐵 funciones booleanas arbitrarias y sean x, y, z las variables booleanas
arbitrarias. Las propiedades que satisfacen estas funciones y las variables booleanas son:
1. Leyes de Idempotencia
𝑓+𝑓 = 𝑓 ; 𝑓∙𝑓=𝑓
𝑥+𝑥 = 𝑥 ; 𝑥∙𝑥=𝑥
2. Leyes asociativas:
(𝑓 + 𝑔) + ℎ = 𝑓 + (𝑔 + ℎ ) ; (𝑓 ∙ 𝑔) ∙ ℎ = 𝑓 ∙ (𝑔 ∙ ℎ)
(𝑥 + 𝑦) + 𝑧 = 𝑥 + (𝑦 + 𝑧) ; (𝑥 ∙ 𝑦) ∙ 𝑧 = 𝑥 ∙ (𝑦 ∙ 𝑧)
3. Leyes Conmutativas:
𝑓+𝑔 = 𝑔+𝑓 ; 𝑓∙𝑔 = 𝑔∙𝑓
𝑥+𝑦 = 𝑦+𝑥 ; 𝑥∙𝑦 = 𝑦∙𝑥
4. Leyes Distributivas
𝑓 ∙ (𝑔 + ℎ ) = 𝑓 ∙ 𝑔 + 𝑓 ∙ ℎ ; 𝑓 + (𝑔 ∙ ℎ ) = (𝑓 + 𝑔) ∙ (𝑓 + ℎ)
𝑥 ∙ (𝑦 + 𝑧) = 𝑥 ∙ 𝑦 + 𝑥 ∙ 𝑧 ; 𝑥 + (𝑦 ∙ 𝑧) = (𝑥 + 𝑦) ∙ (𝑥 + 𝑧)
5. Leyes de identidad
𝑓+0= 𝑓 ; 𝑓+1=1 ; 𝑓∙1= 𝑓 ; 𝑓∙0= 0
𝑥+0 =𝑥 ; 𝑥+1 =1 ; 𝑥∙1= 𝑥 ; 𝑥∙0 = 0
6. Leyes de Complemento
̅=1
0 ; 𝑓 + 𝑓̅ = 1 ; ̅=0
1 ; 𝑓 ∙ 𝑓̅ = 0
̅=1
0 ; 𝑥 + 𝑥̅ = 1 ; ̅=0
1 ; 𝑥 ∙ 𝑥̅ = 0
7. Ley del doble Complemento
𝑓̿ = 𝑓 ; 𝑥̿ = 𝑥
8. Leyes de De Morgan
̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅
(𝑓 + 𝑔) = 𝑓 ̅ ∙ 𝑔̅ ; ̅̅̅̅̅̅̅̅
(𝑓 ∙ 𝑔) = 𝑓 ̅ + 𝑔̅
̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅
(𝑥 + 𝑦) = 𝑥̅ ∙ 𝑦̅ ; ̅̅̅̅̅̅̅̅
(𝑥 ∙ 𝑦) = 𝑥̅ + 𝑦̅
9. Leyes de Absorción
𝑓 + (𝑓 ∙ 𝑔) = 𝑓 ; 𝑓 ∙ (𝑓 + 𝑔) = 𝑓
𝑥 + (𝑥 ∙ 𝑦) = 𝑥 ; 𝑥 ∙ (𝑥 + 𝑦) = 𝑥
𝑥 + (𝑥̅ ∙ 𝑦) = 𝑥 + 𝑦 ; 𝑥̅ ∙ (𝑥 + 𝑦) = 𝑥̅ ⋅ 𝑦
𝐴 ∪ (𝐴 ∩ 𝐵) = 𝐴 ; 𝐴𝑐 ∪ (𝐴 ∩ 𝐵) = 𝐴𝑐 ∪ 𝐵
𝑝 ∧ (𝑝 ∨ 𝑞) = 𝑝 ; 𝑝 ∨ (∼ 𝑝 ∧ 𝑞) = 𝑝 ∨ 𝑞
Ejemplo:
1. Demuestre que 𝑥 + 𝑥̅ 𝑦 = 𝑥 + 𝑦
Solución
𝑥 + 𝑥̅ ∙ 𝑦 = 𝑥 + 𝑦
2. Simplificar
𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑥 (𝑥̅ + 𝑦) + 𝑧̅ + 𝑦𝑧
Solución: Por la propiedad distributiva, de complemento y de absorción se obtiene
𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑥 ∙ (𝑥̅ + 𝑦) + 𝑧̅ + 𝑦 ∙ 𝑧 𝑙𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 𝑡𝑖𝑝𝑜
𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑥𝑦 + 𝑧̅ + 𝑦 𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛𝑎𝑛𝑑𝑜
𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑥 ∙ 𝑦 + 𝑦 + 𝑧̅ 𝑙𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛
𝑓 (𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑦 + 𝑧̅
Ejemplo
Nro. De
𝑥 𝑦 𝑧 𝑓 = 𝑥𝑧 + 𝑦
equivalencia
decimal
0 0 0 0 0 𝑥+𝑦+𝑧
1 0 0 1 0 𝑥 + 𝑦 + 𝑧̅
2 0 1 0 1 𝑥̅ 𝑦𝑧̅
3 0 1 1 1 𝑥̅ 𝑦𝑧
4 1 0 0 0 𝑥̅ + 𝑦 + 𝑧
5 1 0 1 1 𝑥𝑦̅𝑧
6 1 1 0 1 𝑥𝑦𝑧̅
7 1 1 1 1 𝑥𝑦𝑧
5. MAPAS DE KARNAUGH
Para la simplificación y minimización de funciones booleanas con no más de seis variables,
usamos un método gráfico llamado mapa de Karnaugh, desarrollado en 1953 por Maurice
Karnaugh.
El mapa es un diagrama hecho de cuadrados, en que cada cuadrado representa un
minitérmino. Los cuadrados a los minitérmino que producen 1 para la función se marcan con
un "1" y los restantes con "0" o se dejan vacíos. Para reconocer varios patrones y combinar
cuadrados marcados por 1 en el mapa, es posible derivar las expresiones algebraicas alternas
para la función, a partir de las cuales se puede seleccionar la más conveniente.
Los mapas para las funciones de dos, tres y cuatro variables se muestran en las siguientes
figuras.
𝟐𝟐 = 𝟒
XY 0 = 𝑦̅ 1=𝑦
0 = 𝑥̅ 0 1
1=𝑥 2 3
𝟐𝟑 = 𝟖
𝟐𝟒 = 𝟏𝟔
xy
zu 00 01 11 10
00 0 1 3 2 𝑥̅ ; 𝑦̅
01 4 5 7 6 𝑥̅ ; 𝑦
11 12 13 15 14 𝑥 ; 𝑦
10 8 9 11 10 𝑥 ; 𝑦̅
𝑧̅ ; 𝑢̅ 𝑧̅ ; 𝑢 𝑧 ; 𝑢 𝑧 ; 𝑢̅
EJERCICIOS DE APLICACIÓN
1. 𝑓: 𝐵4 → 𝐵
𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) = (𝑥̅ 𝑦 + 𝑧𝑡 + 𝑦̅)(𝑥𝑦𝑧 + 𝑦̅𝑡 )(𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + 𝑦 + 𝑥𝑧̅𝑡)
a. Simplificar con las leyes del algebra de Boole
𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) = (𝑥̅ 𝑦 + 𝑧𝑡 + 𝑦̅)(𝑥𝑦𝑧 + 𝑦̅𝑡 )(𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + 𝑦 + 𝑥𝑧̅𝑡) 𝑓. 𝑛. 𝑐.
(𝑥̅ 𝑦 + 𝑧𝑡 + 𝑦̅)(𝑥𝑦𝑧 + 𝑦̅𝑡 )(𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + 𝑦 + 𝑥𝑧̅𝑡) 𝑙𝑒𝑦 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑡𝑖𝑣𝑎
[(𝑥̅ 𝑦 + 𝑧𝑡 + 𝑦̅)𝑥𝑦𝑧 + (𝑥̅ 𝑦 + 𝑧𝑡 + 𝑦̅)𝑦̅𝑡](𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + 𝑦 + 𝑥𝑧̅𝑡) 𝑙𝑒𝑦 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑡𝑖𝑣𝑎
(𝑥̅ 𝑦𝑥𝑦𝑧 + 𝑧𝑡𝑥𝑦𝑧 + 𝑦̅𝑥𝑦𝑧 + 𝑥̅ 𝑦𝑦̅𝑡 + 𝑧𝑡𝑦̅𝑡 + 𝑦̅𝑦̅𝑡)(𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + 𝑦 + 𝑥𝑧̅𝑡) 𝑙𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
(0 + 𝑡𝑥𝑦𝑧 + 0 + 0 + 𝑧𝑦̅𝑡 + 𝑦̅𝑡)(𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + 𝑦 + 𝑥𝑧̅𝑡) 𝑙𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑
(𝑡𝑥𝑦𝑧 + 𝑧𝑦̅𝑡 + 𝑦̅𝑡)(𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + 𝑦 + 𝑥𝑧̅𝑡) 𝑙𝑒𝑦 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑡𝑖𝑣𝑎
(𝑡𝑥𝑦𝑧 + 𝑧𝑦̅𝑡 + 𝑦̅𝑡)𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + (𝑡𝑥𝑦𝑧 + 𝑧𝑦̅𝑡 + 𝑦̅𝑡)𝑦 + (𝑡𝑥𝑦𝑧 + 𝑧𝑦̅𝑡 + 𝑦̅𝑡)𝑥𝑧̅𝑡
𝑡𝑥𝑦𝑧𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + 𝑧𝑦̅𝑡𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + 𝑦̅𝑡𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + 𝑡𝑥𝑦𝑧𝑦 + 𝑧𝑦̅𝑡𝑦 + 𝑦̅𝑡𝑦 + 𝑡𝑥𝑦𝑧𝑥𝑧̅𝑡 + 𝑧𝑦̅𝑡𝑥𝑧̅𝑡 + 𝑦̅𝑡𝑥𝑧̅𝑡
0 + 0 + 0 + 𝑡𝑥𝑧𝑦 + 0 + 0 + 0 + 0 + 𝑦̅𝑥𝑧̅𝑡 𝑙𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑
𝑡𝑥𝑧𝑦 + 𝑦̅𝑥𝑧̅𝑡
𝑥𝑦𝑧𝑡 + 𝑥𝑦̅𝑧̅𝑡
b. Verificar el resultado anterior con las tablas de verdad, obteniéndose la sumatoria de mintérminos.
24 = 16
𝑓 (𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) = (𝑥̅ 𝑦 + 𝑧𝑡 + 𝑦̅)(𝑥𝑦𝑧 + 𝑦̅𝑡 )(𝑥̅ 𝑧𝑡̅ + 𝑦 + 𝑥𝑧̅𝑡)
xy
zt 00 01 11 10
0 1 3 2
00 𝑥̅ ; 𝑦̅
4 5 7 6
01 𝑥̅ ; 𝑦
12 13 14
11 1 15 𝑥 ; 𝑦
8 11 10
10 1 9 𝑥 ; 𝑦̅
𝑧̅ ; 𝑡̅ 𝑧̅ ; 𝑡 𝑧 ; 𝑡 𝑧 ; 𝑡̅
x
y