Логика: логические вентили и таблицы истинности

← Назад к материалам
Старшая школа 24 Залы Логика

Дидактические цели

Лаб из 24 залов, в котором ученик изучает логические операторы, строя их сам. Почти все залы используют одно и то же поле: переключатели, лампочки и логические элементы, которые перетаскиваются, ставятся без наложения и соединяются касанием двух концов разных деталей (повторное касание разъединяет). Каждый оператор подаётся сразу тремя способами: схема (нет тока — 0, есть ток — 1), истинные или ложные утверждения (1 — истина, 0 — ложь) и, для конъюнкции и дизъюнкции, множества. Везде подчёркиваются формальное название и символ каждого оператора (∧, ∨, ¬, →, ↔, ⊕).

Экранов с объяснениями мало: ученик перебирает комбинации, пока не заполнит таблицу истинности, собирает схемы по заданной таблице и отвечает на задачи на понимание (выбрать вариант, коснуться клеток таблицы множеств, решить, верно ли рассуждение). В задачах на сборку после нескольких неудачных попыток появляется подсказка, а позже — собранное решение. Чтобы идти дальше внутри зала, нужно решить каждую задачу.

Чему учимся

Лаб ведёт ученика от «0 — это ложь, а 1 — истина» до сборки двоичного сумматора из элементов.

  • Читать схему как логическое утверждение, а таблицу истинности — как функцию её входов (залы 1-3).
  • Видеть конъюнкцию как пересечение, а дизъюнкцию как объединение в таблице множеств (залы 4 и 6).
  • Собирать схему по заданной таблице и на примере законов де Моргана видеть, что AND, OR и NOT выражаются друг через друга (залы 7-8).
  • Понимать, что импликация ложна лишь в одном случае и что A → B означает, что A — подмножество B (залы 9-10).
  • Отличать верные рассуждения (modus ponens, modus tollens, транзитивность, дизъюнктивный силлогизм) от неверных (отрицание посылки или утверждение следствия) (залы 11-12).
  • Проверять, равносильны ли две формулы, и понимать, почему обратная импликация ей не равносильна; познакомиться с равносильностью и исключением (залы 13-15).
  • Запомнить названия и символы операторов и перейти к трём переменным (залы 16-17).
  • Перейти от логики к вычислениям: двоичная система, сложение с переносом и полусумматор как XOR и AND (залы 18-19).
  • Узнать, что NAND и NOR универсальны, построить NOT, AND, → и XOR только на NAND и связать это с реальными процессорами (залы 20-23).
  • Применить всё в свободной мастерской: полный сумматор, функция большинства, чётность и воспроизведение таблицы истинности (зал 24).

Ключевые математические идеи

  • Истина и ложь как 0 и 1. Из двух значений строится всё; у формулы с n переменными таблица из 2ⁿ строк (4 при двух, 8 при трёх).
  • Конъюнкция (∧) и дизъюнкция (∨). A ∧ B равно 1 только если равны 1 оба; A ∨ B равно 0 только если оба равны 0 (нестрогая). Для множеств ∧ — это пересечение, а ∨ — объединение.
  • Отрицание (¬) и законы де Моргана. ¬(¬A ∨ ¬B) = A ∧ B; отрицание превращает ИЛИ в И и наоборот. Если «я высокий и я испанец» — ложь, известно лишь, что он не высокий или не испанец.
  • Импликация (→). A → B ложна только если A истинно, а B ложно, и она равна ¬A ∨ B. Из ложной посылки следует что угодно. На языке множеств A → B означает A ⊆ B (каждый квадрат — прямоугольник, а не наоборот).
  • Рассуждения. Верны modus ponens, modus tollens, транзитивность и дизъюнктивный силлогизм. Неверны отрицание посылки («я не спешу, значит, не бегу») и утверждение следствия («я сдал, значит, я учил»): в них A → B путают с обратной B → A.
  • Равносильность (↔). A ↔ B равно 1, когда A и B совпадают, и это (A → B) ∧ (B → A). Импликация A → B и её контрапозиция ¬B → ¬A равносильны; A → B и B → A — нет.
  • Исключение (⊕). A ⊕ B равно 1, когда A и B различны; это «или» повседневной речи («десерт или кофе»).
  • Двоичная система и сложение. Разряды стоят степени двойки (1, 2, 4, 8…), а 1 + 1 = 10 с переносом. При сложении двух цифр разряд единиц — это XOR, а перенос — AND: это и есть полусумматор.
  • Универсальность NAND и NOR. Одного из этих элементов достаточно для любой схемы: NOT = NAND(A, A), AND — два NAND, → — два, XOR — четыре. Поэтому чипы выпускают с одним типом элемента.
  • Полный сумматор. Он складывает A + B + входящий перенос и выдаёт результат и исходящий перенос (два XOR, два AND и один OR). Исходящий перенос — это функция большинства, а нечётная чётность трёх входов — XOR всех трёх.

Уровень: бахильерато и первые курсы университета. Подходит как введение в логику высказываний и цифровые схемы; программировать уметь не нужно. На уроке хорошо проецировать на весь класс зал 3, где таблица ¬(A ∧ B) предсказывается вручную, зал 8 с законами де Моргана и зал 13, которая объясняет, почему «я сдал, значит, я учил» — ошибка. Зал 24 самая длинная и подходит для работы в парах.

Содержание по залам

Зал 1 · Обучение: 0 и 1

Батарейка, переключатель и лампочка, соединённые последовательно; переключатель включён, лампочка горит. Когда переключатель выключают, лампочка гаснет, и зал объясняет соглашение: нет тока — это 0 (ложь), есть ток — это 1 (истина). Из этих двух значений затем строятся все операции.

Задания для ученика

  • Коснуться переключателя, чтобы выключить его, и посмотреть, что станет с лампочкой.
  • Ответить: что означает 0 в этой системе? (ложь).

Зал 2 · Конъюнкция (И)

Конъюнкция (∧) истинна, только если истинны обе части; пример — «Мадрид — столица Испании ∧ Вьетнам находится в Америке»: фраза ложна из-за второй части. В схеме два переключателя, элемент AND и лампочка, всё выключено, а таблица истинности заполняется строка за строкой при переборе четырёх комбинаций (счётчик показывает, сколько строк осталось).

Задания для ученика

  • Перебрать 4 комбинации переключателей, пока таблица истинности не будет заполнена.
  • Решить, истинно ли утверждение «Америка находится в Европе, и Нью-Йорк находится в Америке».
  • Зная, что A истинно и что A ∧ B = 1, сказать, каким должно быть B (истинным, обязательно).

Зал 3 · Отрицание (НЕ)

Отрицание (¬) меняет значение на противоположное: где тока не было, он появляется, и наоборот. Есть два переключателя, элементы AND и NOT и лампочка, пока без проводов; провод создаётся касанием двух концов разных деталей, а повторное касание его убирает. После сборки ¬(A ∧ B) ученик заполняет таблицу истинности вручную, не трогая переключатели, а зал проверяет её строка за строкой с анимацией четырёх состояний. В этом зале осваивается механика сборки, которая используется во всём лабе.

Задания для ученика

  • Собрать схему ¬(A ∧ B): соединить A и B с элементом AND, а его выход — с NOT (если не получается, сначала появляется подсказка с уже собранным A ∧ B, а позже — решение).
  • Предсказать и заполнить таблицу истинности ¬(A ∧ B) и нажать «Проверить таблицу».

Зал 4 · И как пересечение

Ученики школы изучают английский, французский, оба языка или ни одного. Таблица 2×2 («изучает / не изучает английский» на «изучает / не изучает французский») делает каждую клетку отдельной группой, а И — пересечением двух условий. Каждая верно выбранная клетка раскрывает своё обозначение символами (например, ¬Английский ∧ Французский).

Задания для ученика

  • Коснуться клетки учеников, изучающих и английский, и французский.
  • Коснуться клетки учеников, изучающих французский, но не английский.
  • Коснуться клетки учеников, которые не изучают ни английский, ни французский.

Зал 5 · Дизъюнкция (ИЛИ)

Дизъюнкция (∨) истинна, если истинна хотя бы одна из частей: «Мадрид — столица Испании ∨ Вьетнам находится в Америке» верно, хотя вторая часть ложна. Схема с элементом OR устроена так же, как в зале 2: четыре комбинации для заполнения таблицы и задача на вывод, симметричная задаче про конъюнкцию.

Задания для ученика

  • Перебрать 4 комбинации и заполнить таблицу истинности OR.
  • Зная, что A ложно и что A ∨ B = 1, сказать, каким должно быть B (истинным).

Зал 6 · ИЛИ как объединение

Возвращаемся к таблице с английским и французским: «изучает английский ∨ французский» объединяет тех, кто изучает хотя бы один из двух языков, то есть три клетки из четырёх (все, кроме клетки «ни один»). ИЛИ — это объединение, так же как И было пересечением.

Задания для ученика

  • Коснуться 3 клеток, образующих «изучает английский ∨ французский», и нажать «Проверить».

Зал 7 · Один NOT, один OR

Первая задача на свободную сборку: из двух переключателей, элемента NOT и элемента OR (каждая деталь используется один раз) нужно добиться, чтобы лампочка следовала заданной таблице истинности (1, 0, 1, 1, то есть A ∨ ¬B). Если ученик застрял, появляется подсказка («OR даёт 0, только если оба его входа равны 0»), а позже — решение.

Задания для ученика

  • Собрать схему по заданной таблице с одним NOT и одним OR: отрицать B и подать его на один вход OR вместе с A.

Зал 8 · Три NOT, один OR

Из двух переключателей, трёх элементов NOT и одного OR нужно воспроизвести элемент AND. Решение ¬(¬A ∨ ¬B) подаётся как закон де Моргана: отрицание превращает ИЛИ в И и наоборот. Затем задача на обычном языке применяет тот же закон: если Хуан солгал, сказав «я высокий и я испанец», уверенно можно утверждать лишь, что он не высокий или не испанец, не зная, какое из двух условий не выполняется.

Задания для ученика

  • Собрать схему из 3 NOT и 1 OR, которая ведёт себя как AND.
  • Выбрать из четырёх утверждений о Хуане то, которое наверняка верно (Хуан не высокий или Хуан не испанец).

Зал 9 · Импликация

Импликация (→, «если A, то B») обещает следствие при выполнении условия. Ученик заполняет её таблицу на схеме с элементом → и обнаруживает, что она ложна лишь в одном случае (A истинно, B ложно), так что ложная посылка не делает её ложной. Затем нужно собрать A → B только из одного NOT и одного OR.

Задания для ученика

  • Перебрать 4 комбинации и заполнить таблицу истинности A → B.
  • Собрать A → B из одного NOT и одного OR (¬A ∨ B).

Зал 10 · Импликация как подмножество

Если A → B — закон, то всё, что удовлетворяет A, удовлетворяет и B: множество A содержится в множестве B (A ⊆ B). Пример — «квадрат влечёт прямоугольник»: квадраты — подмножество прямоугольников, а не наоборот. Так зал предостерегает от чтения включения в обратную сторону.

Задания для ученика

  • Зная, что «быть кратным 6» влечёт «быть кратным 3», выбрать верное включение множеств ({кратные 6} ⊆ {кратные 3}).

Зал 11 · Силлогизмы I

Силлогизм — это две посылки и вывод. Три рассуждения, по одному на задачу, нужно проверить: действительно ли вывод следует из посылок. Одно неверное (отрицание посылки импликации), одно по modus ponens и одно по modus tollens. После ответа каждая задача объясняет, почему.

Задания для ученика

  • Решить, верно ли рассуждение «когда я спешу, я бегу; сегодня я не спешу; значит, сегодня я не буду бежать» (нет, неверно).
  • Решить, верно ли «если идёт дождь, земля мокрая; идёт дождь; значит, земля мокрая» (да: modus ponens).
  • Решить, верно ли «если число кратно 4, оно чётное; это число не чётное; значит, оно не кратно 4» (да: modus tollens).

Зал 12 · Силлогизмы II

Ещё три рассуждения в том же формате: ошибка утверждения следствия, транзитивность импликации (и включения множеств) и дизъюнктивный силлогизм, который верен и для неисключающего ИЛИ.

Задания для ученика

  • Решить, верно ли «если ты учишь, ты сдаёшь; ты сдал; значит, ты учил» (нет, неверно).
  • Решить, верно ли «если я много ем, я толстею; если я толстею, мне тяжелее бегать; значит, если я много ем, мне тяжелее бегать» (да: транзитивность).
  • Решить, верно ли «я пойду на вечеринку в субботу или в воскресенье; в субботу я не ходил; значит, я ходил в воскресенье» (да: дизъюнктивный силлогизм).

Зал 13 · Равносильные формулы

Две формулы равносильны, если дают одинаковый результат при любых значениях переменных. Даны две схемы, у каждой своя лампочка; ученик перебирает в каждой четыре комбинации A и B и сравнивает, всегда ли лампочки загораются вместе. Сначала A → B и обратная противоположной ¬B → ¬A (равносильны), затем A → B и обратная B → A (не равносильны, чем объясняется ошибка из зала 12).

Задания для ученика

  • Перебрать 4 комбинации и решить, равносильны ли A → B и ¬B → ¬A (да).
  • Сделать то же для A → B и B → A (не равносильны).

Зал 14 · Равносильность (↔)

Равносильность (↔) истинна ровно тогда, когда A и B имеют одинаковое значение; это формализует сравнение вручную из предыдущего зала. Ученик заполняет таблицу на схеме с одним элементом ↔ и выбирает из трёх формул ту, что её определяет; неверные ответы объясняют на конкретном случае, почему они не подходят.

Задания для ученика

  • Перебрать 4 комбинации и заполнить таблицу истинности A ↔ B.
  • Выбрать формулу, определяющую A ↔ B: (A → B) ∧ (B → A).

Зал 15 · Исключение (XOR)

XOR (⊕) истинно, когда A и B различны; в этом обычный смысл слова «или» в повседневной речи («в меню десерт или кофе»). Схема уже собрана с элементом XOR, а ученик заполняет его таблицу и рассуждает над задачей на вывод.

Задания для ученика

  • Перебрать 4 комбинации и заполнить таблицу истинности XOR.
  • Зная, что A истинно и что A ⊕ B = 0, сказать, каким должно быть B (истинным).

Зал 16 · Быстрый тест: название и символ

Тест на время для повторения шести операторов: называется оператор, а ученик выбирает его символ из четырёх. Верные ответы приносят очки, а время на вопрос меняется в зависимости от того, верно или неверно ответил ученик; если тест не пройден, его повторяют.

Задания для ученика

  • Выбрать символ конъюнкции, дизъюнкции, отрицания, импликации, равносильности и исключения (∧, ∨, ¬, →, ↔, ⊕) в раундах на время.

Зал 17 · Три переменные

С тремя переключателями в таблице истинности 8 строк вместо 4. Зал начинается с уже собранной схемы A ∧ (B ∨ ¬C): ученик двигает переключатели и смотрит, как заполняется её таблица. Затем две задачи на сборку; вторая почти зеркальна первой и отличается лишь тем, отрицается ли A.

Задания для ученика

  • Двигать 3 переключателя и заполнить таблицу из 8 строк для A ∧ (B ∨ ¬C).
  • Собрать ¬A ∨ (B ∧ C).
  • Собрать схему с таблицей 00011111 (A, B, C от 000 до 111), то есть A ∨ (B ∧ C).

Зал 18 · Двоичная система

Компьютеры считают нулями и единицами, поэтому вместо единиц, десятков и сотен они используют единицы, «двойки», «четвёрки» и «восьмёрки» (степени двойки). Показаны первые десять натуральных чисел в двоичной записи и объяснено сложение с переносом на решённом примере (101 + 011 = 1000).

Задания для ученика

  • Перевести 1100 из двоичной системы в десятичную (12).
  • Сложить 1111 + 1010 в двоичной системе (11001); при ошибке показывается сложение в столбик с отмеченными переносами.

Зал 19 · Полусумматор

Схеме, складывающей две двоичные цифры, нужны две лампочки, потому что 1 + 1 = 10: одна для разряда единиц, другая для разряда «двоек» (переноса). Ученик по сумме определяет, какая функция соответствует каждой лампочке, а неверные ответы опровергаются конкретной строкой таблицы. Затем он собирает схему из переключателей и двух элементов.

Задания для ученика

  • Выбрать функцию для разряда единиц (XOR).
  • Выбрать функцию для переноса, который равен 1 только при сложении 1 + 1 (AND).
  • Собрать полусумматор: переключатели подключить к элементам XOR и AND, каждый из них — к своей лампочке.

Зал 20 · NAND и NOR

NAND — это «не (A и B)», а NOR — «не (A или B)». Каждый из них по отдельности универсален: только из элементов NAND (или только из NOR) можно построить любую схему. В демонстрационной схеме у NOR оба входа подключены к одному переключателю, и видно, что он инвертирует сигнал, то есть работает как NOT.

Задания для ученика

  • Переключить NOR с соединёнными входами и увидеть, что он инвертирует сигнал.
  • Ответить, можно ли построить любую логическую схему только из элементов NOR (да).

Зал 21 · Логические элементы в реальных процессорах

Короткий зал для размышления: АЛУ процессора состоит из миллионов элементов, построенных на уровне транзисторов, и почти всегда все они одного типа (NAND или NOR), что использует только что изученную универсальность.

Задания для ученика

  • Выбрать, почему производителю чипов удобно выпускать один тип элемента: массово производить и тестировать одну деталь дешевле и проще.

Зал 22 · Строим на NAND (I)

Первые построения, подтверждающие универсальность NAND: NOT из одного элемента (A подаётся на оба входа) и AND ровно из двух элементов, где второму нужен лишь выход первого, поданный на оба его входа.

Задания для ученика

  • Собрать ¬A из одного элемента NAND.
  • Собрать A ∧ B ровно из 2 элементов NAND.

Зал 23 · Строим на NAND (II)

Два более длинных построения только из NAND: импликация из двух элементов (первый даёт ¬B, второй объединяет его с A) и XOR из четырёх элементов — самое длинное построение в лабе.

Задания для ученика

  • Собрать A → B ровно из 2 элементов NAND.
  • Собрать A ⊕ B ровно из 4 элементов NAND.

Зал 24 · Свободная мастерская

Заключительный зал с отдельными деталями (переключатели, лампочки и элементы разных типов), которые можно свободно расставлять и соединять. Перед каждой задачей дано объяснение с решённым примером: полный сумматор (полусумматор из зала 19 плюс входящий перенос), функция большинства, нечётная чётность и воспроизведение заданной таблицы истинности. После четырёх задач ученик может продолжать играть с деталями.

Задания для ученика

  • Собрать полный сумматор с 3 входами (A, B, входящий перенос) и 2 выходами (результат и исходящий перенос).
  • Собрать функцию большинства для 3 входов, которая включается, если включены хотя бы 2 входа (это тот же сигнал, что исходящий перенос сумматора).
  • Собрать схему, лампочка которой горит, только когда число включённых переключателей из 3 нечётно.
  • Собрать схему с таблицей 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1 (A, B, C от 000 до 111) из деталей, которые выберет ученик.

Залы для показа

Самые наглядные для показа и обсуждения в классе.

★
Зал 3 · Отрицание (НЕ) — Это первый зал со сборкой: в нём задаётся механика соединения проводов, которая используется во всём лабе; предсказать таблицу ¬(A ∧ B), прежде чем увидеть проверку, — удобный момент, чтобы класс обсудил каждую строку.
★
Зал 8 · Три NOT, один OR — Закон де Моргана встречается и как схема, и как рассуждение о Хуане: найти решение из трёх NOT и одного OR и понять, почему лишь одна из четырёх фраз верна наверняка, — повод обсудить, как отрицается конъюнкция.
★
Зал 13 · Равносильные формулы — Сравнение двух схем вручную показывает, что обратная противоположной равносильна импликации, а обратная — нет; отсюда ясно, почему «я сдал, значит, я учил» — ошибка.