1. 命题逻辑
命题具有确定真值,真值只有两种:
1.1 什么是命题
命题是具有确切真值的陈述句。
不是命题的典型情况:
- 祈使句
- 感叹句
- 疑问句
- 二义性陈述句
- 含自由变量而未限定取值范围的开语句
例如:
- “这句话是假的”不是命题
- “x+y>0”若未说明 x,y 的范围,则不是命题
1.2 原子命题与复合命题
- 原子命题:不能再分解为更简单命题的命题
- 复合命题:由原子命题借助逻辑联结词组合而成
1.3 命题联结词
1. 基本联结词
- 否定:¬
- 合取:∧
- 析取:∨
- 蕴含:→
- 等价:↔
2. 其他常见联结词
1.4 常见自然语言转化
B→A
B→A
A→B
A→B
1.5 联结词优先级
优先级从高到低:
¬>∧>∨>→>↔
同级通常按从左到右结合。
1.6 命题公式与真值表
1. 命题变元
命题变元是没有赋予具体内容的原子命题,通常记为 P,Q,R,…,取值范围为:
{T,F}或{1,0}
命题变元本身也是命题公式,称为原子公式。
2. 命题公式
由命题变元和联结词按规则形成的表达式称为命题公式。
例如:
G=(P∧Q)→¬R
3. 公式的解释
给公式中每个命题变元指定一个真值,称为该公式的一个解释。
- 若在某解释下 G 为真,则称该解释满足 G
- 若在某解释下 G 为假,则称该解释弄假于 G
4. 真值表
公式在所有可能解释下的真值构成真值表。
1.7 公式的分类与等价
1. 公式分类
- 永真公式(重言式)
- 永假公式(矛盾式)
- 可满足公式
2. 逻辑等价
若公式 G,H 在所有解释下真值都相同,则称 G,H 等价,记作:
G≡H
并且:
G≡H⟺G↔H 是永真公式
1.8 基本等价关系
1. 蕴含等价式
G→H≡¬G∨H
2. 等价等价式
G↔H≡(G→H)∧(H→G)
也即
G↔H≡(¬G∨H)∧(¬H∨G)
3. 等价否定
G↔H≡¬G↔¬H
4. 归谬式
(G→H)∧(G→¬H)≡¬G
5. 常见律
1.9 公式的标准型:范式
1. 基本术语
- 文字:命题变元或其否定,如 P,¬P
- 短语(项):有限个文字的合取
- 子句:有限个文字的析取
- 互补对:P 与 ¬P
2. 析取范式(DNF)
有限个短语的析取称为析取范式。
3. 合取范式(CNF)
有限个子句的合取称为合取范式。
要求:
- 只含 ¬,∨,∧
- 否定只作用于命题变元
4. 求范式的一般步骤
- 消去 →,↔
- 将否定号内移到命题变元前
- 利用分配律化为析取范式或合取范式
1.10 主范式
1. 极小项与极大项
设公式含有变元 P1,P2,…,Pn。
极小项
满足以下条件的短语称为极小项:
- 每个变元或其否定都出现且只出现一次
- 出现顺序与 P1,P2,…,Pn 一致
极大项
满足相应条件的子句称为极大项。
2. 编码关系
例如对变元 P,Q:
¬P∧¬Q=m0
P∧Q=m3
P∨Q=M0
¬P∨¬Q=M3
并且:
mi=¬Mi,Mi=¬mi
3. 主析取范式与主合取范式
- 主析取范式:由若干极小项析取而成
- 主合取范式:由若干极大项合取而成
每个命题公式都存在与其等价的主析取范式和主合取范式。
4. 用真值表求主范式
- 对于主析取范式:取公式值为 1 的各行,对应极小项做析取
- 对于主合取范式:取公式值为 0 的各行,对应极大项做合取
5. 常见结论
- 主析取范式包含全部极小项 ⟺ 公式为永真式
- 主合取范式包含全部极大项 ⟺ 公式为永假式
- 两个公式主析取范式相同或主合取范式相同 ⟺ 它们等价
1.11 命题蕴含与演绎推理
1. 命题蕴含
G1,G2,…,Gn⇒H
有效,当且仅当
(G1∧G2∧⋯∧Gn)→H
是永真公式。
2. 推理规则
- P:前提引用
- T:逻辑结果引用
- CP:附加前提规则
3. 引入与消去规则
P∧Q⊢P
P∧Q⊢Q
P,Q⊢P∧Q
其他联结词同理可结合引入规则和消去规则使用。
2. 谓词逻辑
2.1 谓词逻辑的引入
命题逻辑不能分析原子命题内部结构,因此引入谓词逻辑。
1. 个体词
原命题中可独立存在的客体称为个体词。
- 个体常量:a,b,c,…
- 个体变量:x,y,z,…
2. 论域
个体变量的取值范围称为论域或个体域。
3. 谓词
刻画个体性质或个体之间关系的表达式称为谓词。
例如:
- 一元谓词:P(x)
- 二元谓词:R(x,y)
含变量的谓词表达式本身不是命题,只有当变量被量词约束或被常量替代后,才成为命题。
2.2 量词
两种基本量词:
- 全称量词:∀x
- 存在量词:∃x
符号化准则
- “所有”“任意”“每个”常用全称量词
- “存在”“有些”“某个”常用存在量词
常见模式:
(∀x)(P(x)→Q(x))
(∃x)(P(x)∧Q(x))
2.3 谓词公式
1. 四类符号
- 常量
- 变量
- 函数符号
- 谓词符号
2. 项
项包括:
- 常量和变量
- 若 f 是 n 元函数符号,t1,…,tn 是项,则 f(t1,…,tn) 也是项
3. 原子公式
若 P 是 n 元谓词符号,t1,…,tn 是项,则:
P(t1,…,tn)
是原子公式。
4. 合式公式
由原子公式经过有限次使用逻辑联结词和量词构造出的公式,称为合式公式。
2.4 自由变元与约束变元
- 被量词约束的变量称为约束变元
- 未被量词约束的变量称为自由变元
不含自由变元的公式称为闭式。
闭式具有确定真值,因此可看作命题。
2.5 谓词公式的解释与分类
谓词公式也可分为:
补充:
- 一般谓词逻辑不可判定
- 只含一元谓词变项的某些情形可判定
- 个体域有穷时,可转化为有限命题逻辑问题处理
2.6 前束范式
1. 定义
若一个公式中所有量词都位于最前端,后接不含量词的母式,则称其为前束范式。
一般形式:
(Q1x1)(Q2x2)⋯(Qnxn)M
其中 Qi 是量词,M 是母式。
2. 求前束范式步骤
- 消去 →,↔
- 将否定内移
- 把量词左移
- 必要时改名,避免变量冲突
2.7 谓词逻辑推理规则
1. 全称特指(US)
(∀x)G(x)⇒G(c)
其中 c 为任意个体常量。
2. 存在特指(ES)
(∃x)G(x)⇒G(c)
其中 c 为新引入的特指常量。
3. 全称推广(UG)
由 G(c) 推出 (∀x)G(x) 时要满足相应限制条件。
4. 存在推广(EG)
G(c)⇒(∃x)G(x)
2.8 常见有效推理式
以下推理有效:
(∀x)(G(x)→H(x))⇒(∀x)G(x)→(∀x)H(x)
以及:
(∀x)(G(x)→H(x))⇒(∃x)G(x)→(∃x)H(x)
而以下形式一般不成立:
(∀x)(G(x)∨H(x))⇒(∀x)G(x)∨(∀x)H(x)
(∃x)G(x)∧(∃x)H(x)⇒(∃x)(G(x)∧H(x))
原稿中这一部分有些公式方向写反或条件不足,这里只保留稳定成立的结论。
3. 二元关系
3.1 序偶与笛卡尔积
1. 序偶
⟨a,b⟩=⟨c,d⟩⟺a=c, b=d
2. 笛卡尔积
A×B={⟨a,b⟩∣a∈A, b∈B}
性质:
- 一般不满足交换律与结合律
- 对并、交满足分配律
- 若 A,B 有限,则
∣A×B∣=∣A∣⋅∣B∣
A×B=∅⟺A=∅ 或 B=∅
3.2 关系的定义
设 A,B 为非空集合,则 A×B 的任意子集称为从 A 到 B 的一个二元关系。
若 A=B,则称为 A 上的一个二元关系。
记法:
- ⟨x,y⟩∈R 记作 xRy
- ⟨x,y⟩∈/R 记作 xRy
特殊关系:
- 空关系:∅
- 全关系:A×B
- 恒等关系:
IA={⟨x,x⟩∣x∈A}
关系总数:
2∣A∣⋅∣B∣
定义域与值域
dom(R)={x∈A∣∃y∈B, xRy}
ran(R)={y∈B∣∃x∈A, xRy}
3.3 关系的表示
- 集合表示
- 关系图表示
- 关系矩阵表示
若 R⊆A×B,其关系矩阵(布尔矩阵)用 MR 表示。
3.4 关系的运算
1. 集合运算
2. 复合运算
R∘S={⟨x,z⟩∣(∃y)(⟨x,y⟩∈R∧⟨y,z⟩∈S)}
对应矩阵运算为布尔乘积。
3. 逆关系
R−1={⟨b,a⟩∣⟨a,b⟩∈R}
矩阵表示上,逆关系对应转置矩阵。
3.5 关系运算定律
1. 结合律
(R∘S)∘T=R∘(S∘T)
2. 同一律
I∘R=R,R∘I=R
3. 分配律
对并:
R∘(S1∪S2)=(R∘S1)∪(R∘S2)
(S1∪S2)∘T=(S1∘T)∪(S2∘T)
对交一般只有包含关系,不必随意写成恒等式。
原稿中把交对复合也写成恒等分配律,这一般不成立。
4. 逆运算与复合
(R∘S)−1=S−1∘R−1
3.6 幂运算
若 R 是 A 上的关系,则:
R0=IA,R1=R,Rn+1=Rn∘R
并有:
Rm+n=Rm∘Rn
(Rm)n=Rmn
当 A 有限时,关系幂最终会稳定。
4. 关系的性质
4.1 五种基本性质
1. 自反性
(∀x) ⟨x,x⟩∈R
矩阵特征:主对角线元素全为 1。
2. 反自反性
(∀x) ⟨x,x⟩∈/R
矩阵特征:主对角线元素全为 0。
3. 对称性
⟨x,y⟩∈R⇒⟨y,x⟩∈R
4. 反对称性
⟨x,y⟩∈R∧⟨y,x⟩∈R⇒x=y
5. 传递性
⟨a,b⟩∈R∧⟨b,c⟩∈R⇒⟨a,c⟩∈R
注意:
⟨a,c⟩∈R⇒⟨a,b⟩∈R∧⟨b,c⟩∈R
不是传递性的定义。
4.2 关系性质的保守性
设 R,S 为关系:
- 若 R,S 自反,则 R∪S, R∩S 自反
- 若 R,S 对称,则 R∪S, R∩S, R−1 对称
- 若 R 传递,则 R−1 传递
- R,S 传递时,R∪S、R∩S 不一定都传递
- R∘S 也不自动保持这些性质
原稿中“自反/对称/传递在并交差复合下普遍保守”的说法过强,这里改成稳妥结论。
4.3 关系的闭包
对原关系作最小扩充,使之满足某种性质:
r(R)=R∪IA
s(R)=R∪R−1
t(R)=i=1⋃∣A∣Ri
(A 有限时)
5. 等价关系与划分
5.1 等价关系
定义在非空集合上的自反、对称、传递关系称为等价关系。
5.2 等价类
若 R 是 A 上的等价关系,则对任意 x∈A:
[x]R={y∈A∣⟨x,y⟩∈R}
称为 x 关于 R 的等价类。
性质
- 任一等价类非空
- 任意两个等价类要么相等,要么不交
- 所有等价类的并是整个集合
5.3 商集
由所有等价类构成的集合称为商集,记作:
A/R={[x]R∣x∈A}
5.4 集合的划分
设
π={S1,S2,…,Sm}
若满足:
- Si⊆A
- Si∩Sj=∅ (i=j)
- ⋃i=1mSi=A
则称 π 是 A 的一个划分。
等价关系与划分的对应
- 每个等价关系都导出一个划分
- 每个划分都对应一个等价关系
6. 偏序、拟序、全序与良序
6.1 偏序关系
同时满足自反、反对称、传递的关系称为偏序关系。
记作:
⟨A,≤⟩
称为偏序集。
可比
若 x≤y 或 y≤x,则称 x 与 y 可比。
覆盖
若 x<y 且不存在 z 使得 x<z<y,则称 y 覆盖 x。
6.2 哈斯图
哈斯图由偏序关系图简化而来:
- 去掉自环
- 去掉由传递性可推出的边
- 边默认向上,不再画箭头
6.3 最大元、最小元、极大元、极小元
设 B⊆A。
最大元
若
(∀x∈B)(x≤b)
则 b 为 B 的最大元。
最小元
若
(∀x∈B)(a≤x)
则 a 为 B 的最小元。
极大元
若
(∀x∈B)(b≤x⇒x=b)
则 b 为极大元。
极小元
若
(∀x∈B)(x≤b⇒x=b)
则 b 为极小元。
6.4 上界、下界、上确界、下确界
上界
若
(∀x∈B)(x≤a)
则 a 为 B 的上界。
上确界
若 a 是 B 的上界,且任一上界 a′ 都满足:
a≤a′
则 a 为 B 的上确界。
下界
若
(∀x∈B)(a≤x)
则 a 为 B 的下界。
下确界
若 a 是 B 的下界,且任一下界 a′ 都满足:
a′≤a
则 a 为下确界。
6.5 拟序、全序、良序
拟序(严格偏序)
满足反自反和传递的关系称为拟序关系。
偏序与拟序之间有如下对应:
- 从偏序去掉对角线得到拟序
- 给拟序补上恒等关系得到偏序
全序
在偏序关系中,若任意两个元素都可比,则称为全序关系。
良序
在全序关系中,若任意非空子集都有最小元,则称为良序关系。
7. 函数
7.1 定义与术语
设 f:A→B。
- 定义域:domf=A
- 值域:ranf⊆B
7.2 类型
单射
(∀x1,x2∈A) (x1=x2⇒f(x1)=f(x2))
满射
ranf=B
双射
同时是单射和满射。
7.3 复合
若 f:A→B, g:B→C,则:
(g∘f)(x)=g(f(x))
这是函数复合的标准方向,原稿中此处是对的,值得特别记住。
7.4 逆函数
若 f 是双射,则存在逆函数:
f−1:B→A
8. 图论基础
8.1 图的定义
图记作:
G=⟨V,E⟩
其中:
8.2 图的表示
- 集合表示
- 图形表示
- 矩阵表示
8.3 图的分类
按边的方向
按是否有平行边和自环
按是否赋权
特殊图
8.4 子图与补图
子图
补图
若 G=⟨V,E⟩ 是简单图,完全图为 ⟨V,E1⟩,则其补图为:
G=⟨V,E1−E⟩
8.5 度数与握手定理
1. 无向图
顶点 v 的度记作 deg(v)。
- 最大度:Δ(G)
- 最小度:δ(G)
2. 有向图
- 入度:deg−(v)
- 出度:deg+(v)
并且:
deg(v)=deg−(v)+deg+(v)
3. 握手定理
无向图中:
v∈V∑deg(v)=2∣E∣
推论:奇度顶点个数为偶数。
有向图中:
v∈V∑deg+(v)=v∈V∑deg−(v)=∣E∣
9. 树与生成树
9.1 树
无向树是无环连通图。
森林是每个连通分支都是树的图。
9.2 树的等价刻画
设图 G=⟨V,E⟩,∣V∣=n, ∣E∣=m,以下命题等价:
- G 是树
- G 连通且无回路
- G 无回路且 m=n−1
- G 连通且 m=n−1
- 任意两个顶点之间有且仅有一条基本通路
- 删除任意一条边后图不连通
- 向任意两个不邻接顶点加一条边,恰得一条基本回路
推论:
- 若 m>n−1,则图必有回路
- 若 m<n−1,则图必不连通
- 任意非平凡树至少有两片叶
9.3 生成树
若图 G 的某个生成子图是树,则称其为 G 的生成树。
生成树存在的充要条件
G 连通
9.4 最小生成树
1. Kruskal 算法(选边)
每次选取当前不构成回路的最小权边,直到选满 n−1 条边。
2. Prim 算法(扩点)
从任意顶点开始,每次选取连接当前树与外部顶点的最小权边。
9.5 根树与 k 元树
1. 根树
恰有一个结点入度为 0、其余结点入度为 1 的有向树称为根树。
- 入度为 0:根
- 出度为 0:叶
- 入度为 1 且出度大于 0:内点或分支点
2. k 元树
- 每个分支点至多有 k 个儿子:k 元树
- 每个分支点恰有 k 个儿子:满 k 元树
性质:
(k−1)×分支点数=叶数−1
3. 遍历
9.6 Huffman 树
1. 前缀码
若任一编码都不是另一编码的前缀,则称为前缀码。
2. 最优树
使加权路径长度
WPL=∑wiL(wi)
最小的树称为最优树。
3. Huffman 算法
每次合并权值最小的两个结点,反复进行,直到形成整棵树。
10. 特殊图
10.1 欧拉图
欧拉通路与欧拉回路
- 欧拉通路:经过每条边恰好一次的通路
- 欧拉回路:经过每条边恰好一次的回路
无向图判定
- 有欧拉回路:图连通且奇度顶点数为 0
- 有欧拉通路:图连通且奇度顶点数为 0 或 2
有向图判定
deg−(v)=deg+(v)
Fleury 算法
构造欧拉通路/回路时,尽量不先走桥。
10.2 哈密顿图
哈密顿通路与哈密顿回路
- 哈密顿通路:经过每个顶点恰好一次的通路
- 哈密顿回路:经过每个顶点恰好一次的回路
必要条件
若图有哈密顿回路,则对任意非空顶点子集 V1:
p(G−V1)≤∣V1∣
其中 p(⋅) 表示连通分支数。
常见充分条件
deg(u)+deg(v)≥n
则图有哈密顿回路。
deg(v)≥2n,n≥3
则图有哈密顿回路。
10.3 二分图(偶图)
定义
图的顶点集可分为两个不交子集 V1,V2,使每条边的两个端点分别属于两个不同子集,则称该图为二分图。
完全二分图
若 V1 中每个顶点都与 V2 中每个顶点相邻,则称为完全二分图,记为:
Ki,j
判定充要条件
图是二分图当且仅当它不含奇数长度回路。
匹配与完全匹配
- 匹配:任意两条边不共端点
- 完全匹配:覆盖一个部分或全部顶点的匹配
Hall 定理
二分图存在从 V1 到 V2 的完全匹配,当且仅当:
对 V1 的任意子集 X,其邻接点集 N(X) 满足
∣N(X)∣≥∣X∣
10.4 平面图
定义
若图可画在平面上,使任意两边只在公共端点相交,则称该图为平面图。
面与次数
- 面分为有限面和无限面
- 各面次数之和等于边数的两倍:
∑D(r)=2m
欧拉公式
连通平面图满足:
n−m+r=2
其中:
推论
若 n≥3,则:
m≤3n−6
若所有面的次数都至少为 k,则:
m≤k−2k(n−2)
同胚
通过反复插入或消去 2 度顶点得到的图称为同胚图。
库拉托夫斯基定理
图是平面图,当且仅当它不含与 K5 或 K3,3 同胚的子图。
11. 真题型易错点总结
11.1 命题公式定义
命题公式可递归定义:
- 命题变元是公式
- 若 G 是公式,则 ¬G 是公式
- 若 G,H 是公式,则 (G∨H),(G∧H),(G→H),… 也是公式
- 仅由有限步使用上述规则构成的符号串才是公式
11.2 单射定义
f:A→B,∀x1,x2∈A, x1=x2⇒f(x1)=f(x2)
11.3 各类图的判定重点
- 欧拉图:看边
- 哈密顿图:看点
- 二分图:看奇圈
- 平面图:看欧拉公式与 K5, K3,3
11.4 上确界与下确界
- 上确界是“最小的上界”
- 下确界是“最大的下界”
- 都不一定存在
11.5 约束变元
只要某变量出现在某量词的辖域内并被其绑定,就是约束变元。
11.6 传递性
正确形式:
⟨a,b⟩∈R∧⟨b,c⟩∈R⇒⟨a,c⟩∈R
11.7 有穷论域下量词展开
若论域有限,则:
(∀x)G(x)≡G(a1)∧G(a2)∧⋯∧G(an)
(∃x)G(x)≡G(a1)∨G(a2)∨⋯∨G(an)
11.8 通路与回路数
使用邻接矩阵:
- Am 的 (i,j) 元表示长度为 m 的从 vi 到 vj 的通路数
- 对角线元素表示回路数
11.9 补图
补图是相对于完全简单图而言,不考虑自环,因此补图矩阵处理中通常不补主对角线。
11.10 谓词逻辑演绎格式
常见写法:
US, ES, UG, EG
T, (i), I/E
P, CP
11.11 符号化问题
只要出现“所有”“存在”“有些”“某个”等字样,优先考虑用谓词逻辑表达,而不是仅用命题逻辑。
12. 符号化练习模板
12.1 全称命题模板
“所有满足 P 的对象都满足 Q”:
(∀x)(P(x)→Q(x))
12.2 存在命题模板
“存在某个对象同时满足 P,Q”:
(∃x)(P(x)∧Q(x))
12.3 演绎证明模板
常用套路:
- 写出前提(P)
- 用 US / ES 消量词
- 用 T、I、E 做逻辑推导
- 若要得到全称结论,再用 UG
- 若要得到存在结论,用 EG
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