布尔代数

**布林代數**（英語：Boolean algebra）在抽象代數中是指擷取了集合運算和邏輯運算二者的根本性質的一個代數結構（就是說一組元素和服從定義的公理的在這些元素上運算）。特別是，它處理集合運算交集、聯集、補集；和邏輯運算與、或、非。

例如，邏輯斷言陳述 _a_ 和它的否定 ¬_a_ 不能都同時為真，

　
: $a\land (\lnot a)={\mbox{FALSE}}$ ，

相似於集合論斷言子集 _A_ 和它的補集 _A_C 有空交集，

　
: $A\cap (A^{C})=\varnothing $ 。

因為真值可以在邏輯電路中表示為二進位數或電平，這種相似性同樣擴充到它們，所以布林代數在電子工程和電腦科學中同在數理邏輯中一樣有很多實踐應用。在電子工程領域專門化了的布林代數也叫做邏輯代數，在電腦科學領域專門化了布林代數也叫做布林運算。

布林代數也叫做**布林格**。關聯於格（特殊的偏序集合）是在集合包含 _A_ ⊆ _B_ 和次序 _a_ ≤ _b_ 之間的相似所預示的。考慮 {_x_,_y_,_z_} 的所有子集按照包含排序的格。這個布林格是偏序集合，在其中 {_x_}  ≤ {_x_,_y_}。任何兩個格的元素，比如 _p_ = {_x_,_y_} 和 _q_ = {_y_,_z_}，都有一個最小上界，這裡是 {_x_,_y_,_z_}，和一個最大下界，這裡是 {_y_}。這預示了最小上界（並或上確界）被表示為同邏輯 OR 一樣的符號 _p_∨_q_；而最大下界（交或下確界）被表示為同邏輯 AND 一樣的符號 _p_∧_q_。

這種格釋義有助於一般化為海廷代數，它是免除要麼一個陳述要麼它的否定必須為真的限制的布林代數。海廷代數對應於直覺邏輯，而布林代數對應於經典邏輯。

布林代數又譯為**布爾代數**，然而布林代數得名於喬治・布爾，他是愛爾蘭科克的皇后學院的英國數學家。布林（boolean）在英文中的意思是「布爾的」，這是為了表彰布爾的貢獻，而「布林」只是一種音譯。

## 歷史

術語「布林代數」得名於喬治・布爾（1815–1864），他是自學成材的英國數學家。他最初在 1847 年出版的一個小冊子《邏輯的數學分析》中介入了代數邏輯系統，用來回應在奧古斯都・德・摩根和 William Hamilton 之間的公開論戰，後來又出現在 1854 年出版的更充實的書《思維規律》中。布林的公式化在一些重要方面不同於上述描述。例如，布林的合取和析取不是一對對偶的運算。布林代數出現在 1860 年代威廉姆・斯坦利・傑文斯和查爾斯・皮爾士的論文中。到了 1890 年 Ernst Schröder 寫的《Vorlesungen》，我們才有了布林代數和分配格的首次系統表述。首次用英語寫的對布林代數的廣泛處置是阿弗烈・諾夫・懷海德在 1898 年的《泛代數》。在現代公理化意義上的作為公理化代數結構的布林代數開始於 Edward Vermilye Huntington 1904 年的論文。布林代數隨著 Marshall Stone 在 1930 年代的工作和 Garrett Birkhoff 在 1940 年的《格理論》而進入了嚴肅數學時期。在 1960 年代，Paul Cohen、Dana Scott 和其他人使用布林代數的分支也就是力迫和布林值模型，深入發現了數理邏輯和公理化集合論中的新成果。

## 形式定義

**布林代數**是一個集合 A，其上定義了以下結構：

* 二元運算∧:A×A→A。
* 二元運算∨:A×A→A。
* 一元運算 ':A→A。
* 零元素運算（常數）0 和 1。

這些運算滿足以下條件：∀a，b，c∈A，

上面的前三對公理：結合律、交換律和吸收律，意味著 (A,∧,∨) 是一個格。所以布林代數也可以定義為一個有補分配格。

從這些公理，你可以展示出最小元素 0、最大元素 1 和任何元素 a 的補 a' 都是唯一確定的。

另外，∀a,b∈A，下列恆等式也成立：

### 其它運算

在上述基本定義基礎上，布林代數中常見的還有以下的運算：

* 二元運算 -: A×A→A，定義為：a-b = a∧b'；
* 二元運算 + 或 Δ: A×A→A，定義為：a+b = (a-b)∨(b-a)；
* 二元運算→: A×A→A，定義為：a→b = (a-b)'；
* 二元運算↔: A×A→A，定義為：a↔b = (a→b)∧(b→a)；
* 二元運算 | 或↑: A×A→A，定義為：a|b = (a∧b)'。
* 二元運算⊕或↓: A×A→A，定義為：a⊕b = a'∧b'

注意：- 和→，+ 和↔是對偶的。即 a→b = (a-b)'，a↔b=(a+b)'。

### 總結

布林代數的各種運算同時也被應用於集合論和邏輯學，在不同的上下文有不同的名稱。具體的符號和名稱如下：

## 例子

* 最簡單的布林代數只有兩個元素 0 和 1，並通過如下規則定義:

　
: * 它應用於邏輯中，解釋 0 為「偽」，1 為「真」，∧為「與」，∨為「或」，¬ 為「非」。涉及變數和布林運算的表達式代表了陳述形式，兩個這樣的表達式可以使用上面的公理證實為等價的，若且唯若對應的陳述形式是邏輯等價的。

　
: * 兩元素的布林代數也是在電子工程中用於電路設計；這裡的 0 和 1 代表數字電路中一個位的兩種不同狀態，典型的是高和低電壓。電路通過包含變數的表達式來描述，兩個這種表達式對這些變數的所有的值是等價的，若且唯若對應的電路有相同的輸入 - 輸出行為。此外，所有可能的輸入 - 輸出行為都可以使用合適的布林表達式來建摸。

　
: * 兩元素布林代數在布林代數的一般理論中也是重要的，因為涉及多個變數的等式是在所有布林代數中普遍為真，若且唯若它在兩個元素的布林代數中為真（這總是可以通過平凡的窮舉法演算法證實）。比如證實下列定律（「合意定理」）在所有布林代數中是普遍有效的:
  * (_a_ ∨ _b_) ∧ (¬_a_ ∨ _c_) ∧ (_b_ ∨ _c_) ≡ (_a_ ∨ _b_) ∧ (¬_a_ ∨ _c_)
  * (_a_ ∧ _b_) ∨ (¬_a_ ∧ _c_) ∨ (_b_ ∧ _c_) ≡ (_a_ ∧ _b_) ∨ (¬_a_ ∧ _c_)

* 任何給定集合 _S_ 的冪集（子集的集合）形成有兩個運算∨ := ∪ (並) 和∧ := ∩ (交) 的布林代數。最小的元素 0 是空集而最大元素 1 是集合 _S_ 自身。
* 有限的或餘有限的集合 _S_ 的所有子集的集合是布林代數。
* 對於任何自然數 _n_，_n_ 的所有正因數的集合形成一個分配格，如果我們對 _a_ | _b_ 寫 _a_ ≤ _b_。這個格是布林代數若且唯若 _n_ 是無平方數因數的數。這個布林代數的最小的元素 0 是自然數 1；這個布林代數的最大元素 1 是自然數 _n_。
* 布林代數的另一個例子來自拓撲空間：如果 _X_ 是一個拓撲空間，它既是開放的又是閉合的，_X_ 的所有子集的搜集形成有兩個運算∨ := ∪ (並) 和∧ := ∩ (交) 的布林代數。
* 如果 _R_ 是一個任意的環，並且我們定義「中心冪等元」（central idempotent）的集合為 
 _A_ = { _e_ ∈ _R_ : _e_2 = _e_, _ex_ = _xe_, ∀_x_ ∈ _R_ } 
則集合 _A_ 成為有兩個運算 _e_ ∨ _f_ := _e_ + _f_ + _ef_ 和 _e_ ∧ _f_ := _ef_ 的布林代數。

## 原型布林代數

在 _k_ 元素集合 _X_ 上有 _k_kn 個 _n_ 元運算 _f_: _X_n→_X_，因此在 {0,1} 上有 22n 個 _n_ 元運算。所以得出所有布林代數，不論大小都兩個常數或「零元素」運算，四個一元運算，16 個二元運算，256 個三元運算，以此類推，它們叫做給定布林代數的**布林運算**。只有一個例外就是一個元素的布林代數，它叫做退化的或平凡的（被一些早期作者禁用），布林代數的所有運算可以被證明是獨特的。（在退化情況下，給定元數的所有運算都是同樣的運算因為對所有輸入都返回同樣結果。）

在 {0,1} 上的運算可以用真值表展出，選取 0 和 1 為真值**假**和**真**。它們可以按統一和不依賴應用的方式列出，允許我們命名或至少單獨列出它們。這些名字對布林運算提供方便的簡寫。_n_ 元運算的名字是 2n 位的二進位數。有 22n 個這種運算，你不能得到更簡明的命名法了！

下面展示元數從 0 到 2 的所有運算的這種格局和關聯的名字。

這些表格繼續到更高元數上，對 _n_ 元有 2n 行，每個行給出 _n_ 個變數 _x_0,…_x_n−1 的一個求值或繫結，而每列都有表頭 n_f_i，它們給出第 _i_ 個 _n_ 元運算 n_f_i(_x_0,…,_x_n−1) 在這個求值下的值。運算包括變數本身，例如 1_f_2 是 _x_0 而 2_f_10 是 _x_0 (作為它的一元對應者的兩個復件) 而 2_f_12 是 _x_1 (沒有一元對應者)。否定或補 ¬_x_0 出現為 1_f_1 再次出現為 2_f_5，連同 2_f_3 (¬_x_1 在 1 元時沒有出現)，析取或並 _x_0∨_x_1 出現為 2_f_14，合取或交 _x_0∧_x_1 出現為 2_f_8，蘊涵 _x_0→_x_1 出現為 2_f_13，互斥或或對稱差 _x_0⊕_x_1 出現為 2_f_6，差集 _x_0−_x_1 出現為 2_f_2 等等。對布林函數的其他命名或表示可參見零階邏輯。

作為關於它的形式而非內容的次要詳情，一個代數的運算傳統上組織為一個列表。我們這裡通過在 {0,1} 上有限運算索引了布林代數的運算，上述真值表表示的排序首先按元數，其次為每個元數運算的列出表格。給定元數的列表次序是如下兩個規則確定的。

　
: (i) 表格左半部分的第 _i_ 行是 _i_ 的二進位表示，最低有效位或第 0 位在最左（「小端」次序，最初由艾倫・圖靈提議，所以可不無合理的叫做圖靈序）。

　
: (ii) 表格的右半部分的第 _j_ 列是 _j_ 的二進位表示，還是按小端次序。在效果上運算的下標就是這個運算的真值表。

## 序理論的性質

同任何格一樣，布林代數 (_A_, $\land $ , $\lor $ ) 可以引出偏序集（_A_, ≤），通過定義

　
: _a_ ≤ _b_ 若且唯若 _a_ = _a_ $\land $ _b_ (它也等價於 _b_ = _a_ $\lor $ _b_)。

事實上你還可以把布林代數定義為有最小元素 0 和最大元素 1 的分配格 (_A_, ≤) (考慮為偏序集合)，在其中所有的元素 _x_ 都有補 ¬_x_ 滿足

　
: _x_ $\land $ ¬_x_ = 0 並且 _x_ $\lor $ ¬_x_ = 1

這裡的 $\land $ 和 $\lor $ 用來指示兩個元素的下確界（交）和上確界（並）。還有，如果上述意義上的補存在，則它們是可唯一確定的。

代數的和序理論的觀點通常可以交替的使用，並且二者都是有重要用處的，可從泛代數和序理論引入結果和概念。在很多實際例子中次序關係、合取（邏輯與）、析取（邏輯或）和否定（邏輯非）都是自然的可獲得的，所以可直接利用這種聯絡。

### 對偶原理

你還可以把來自序理論的對偶性的普遍認識應用於布林代數。特別是，所有的布林代數的次序對偶，或者等價的說通過對換 $\land $ 與 $\lor $ 所獲得的代數，也是布林代數。一般的說，布林代數的任何有效的規律都可以轉換成另一個有效的對偶規律，通過對換 0 與 1， $\land $ 與 $\lor $ ，和≤與≥。

## 同態和同構

在布林代數 _A_ 和 _B_ 之間的**同態**是一個函數 _f_ : _A_ → _B_，對於在 _A_ 中所有的 _a_, _b_ 都有:

　
: _f_(_a_ $\lor $ _b_) = _f_（_a_） $\lor $ _f_（_b_）

　
: _f_(_a_ $\land $ _b_) = _f_（_a_） $\land $ _f_（_b_）

　
: _f_（0）= 0

　
: _f_（1）= 1

接著對於在 _A_ 中所有的 _a_，_f_(¬_a_) = ¬_f_（_a_）同樣成立。所有布林代數的類，和與之在一起的態射的概念，形成了一個範疇。從 _A_ 到 _B_ 的**同構**是對射的從 _A_ 到 _B_ 的同態。同構的逆也是同構，我們稱兩個布林代數 _A_ 和 _B_ 為「同構」的。從布林代數理論的立場上，它們是不能區分的；它們只在它們的元素的符號上有所不同。

### 布林同態

布林同態是在布林代數 _A_ 和 _B_ 之間的函數 _h_: _A_→_B_ 使得對於所有布林運算 m_f_i 有

　
: _h_(m_f_i(_x_0,…,_x_m−1)) = m_f_i(_h_(_x_0),…,_h_(_x_m−1)).

布林代數的範疇 **Bool** 有所有布林代數作為物件和在它們之間的布林同態作為態射。

從兩元素布林代數 **2** 到所有布林代數存在唯一的同態，因為所有態射必須保持兩個常數而它們是 **2** 的僅有元素。有這種性質的布林代數叫做**初始**布林代數。可以證明任何兩個初始布林代數都是同構的，所以在同構的意義下 **2** 就是初始布林代數。

在其他方向上，從布林代數 _B_ 到 **2** 存在很多同態。任何這種同態都把 _B_ 劃分成對映到 1 的元素和對映到 0 的元素。由前者組成的 _B_ 的子集叫做 _B_ 的超濾子。在 _B_ 是有限的時候，它的超濾子配對於它的原子；一個原子被對映到 1 而其他被對映到 0。_B_ 的每個超濾子因此由 _B_ 的一個原子和所有其上的元素組成；所以精確的有 _B_ 的一半元素在這個超濾子中，並且有和原子一樣的多的超濾子。

對於無限布林代數，超濾子的概念變得相當微妙。大於等於原子的那些元素總是形成超濾子，但是很多其他集合也能形成；例如在整數的有限和餘有限集合的布林代數中，餘有限集合形成了超濾子即使它們中沒有原子。類似的整數的冪集有包含給定整數的所有子集的集合作為超濾子之一；有可數多個這種「標準」超濾子，它們可以用整數自身來辨識，但是還有不可數多個「非標準」超濾子。這些形成了非標準分析的基礎，它提供了對這種經典不相容物件作為無窮小和 delta 函數的表述。

## 布林環、理想和濾子

每個布林代數 (_A_, $\land $ , $\lor $ ) 都引出一個環（_A_, +, \*），通過定義 _a_ + _b_ = (_a_ $\land $ ¬_b_) $\lor $ (_b_ $\land $ ¬_a_) (這個運算在集合論中叫做「對稱差」在邏輯中叫做 XOR（互斥或）) 和 _a_ \* _b_ = _a_ $\land $ _b_。這個環的零元素符合布林代數的 0；環的乘法單位元素是布林代數的 1。這個環有對於 _A_ 中的所有的 _a_ 保持 _a_ \* _a_ = _a_ 的性質；有這種性質的環叫做布林環。

反過來，如果給出布林環 _A_，我們可以把它轉換成布林代數，通過定義 _x_ $\lor $ _y_ = _x_ + _y_ + _xy_ 和 _x_ $\land $ _y_ = _xy_。因為這兩個運算是互逆的，我們可以說每個布林環引發一個布林代數，或反之。此外，對映 _f_ : _A_ → _B_ 是布林代數的同態，若且唯若它是布林環的同態。布林環和代數的範疇是等價的。

布林代數 _A_ 的理想是一個子集 _I_，對於在 _I_ 中的所有 _x_, _y_ 我們有 _x_ $\lor $ _y_ 在 _I_ 中，並且對於在 _A_ 中的所有 _a_ 我們有 _a_ $\land $ _x_ 在 _I_ 中。理想的概念符合在布林環 _A_ 中環理想的概念。_A_ 的理想 _I_ 叫做「質理想」，如果 _I_ ≠ _A_；並且如果 _a_ $\land $ _b_ 在 _I_ 中總是蘊涵 _a_ 在 _I_ 中或 _b_ 在 _I_ 中。_A_ 的理想 _I_ 叫做「極大理想」，如果 _I_ ≠ _A_ 並且真正包含 _I_ 的唯一的理想是 _A_ 自身。這些概念符合布林環 _A_ 中的質理想和極大理想的環理論概念。

「理想」的對偶是濾子。布林代數 _A_ 的「濾子」是子集 _p_，對於在 _p_ 中的所有 _x_, _y_ 我們有 _x_ $\land $ _y_ 在 _p_ 中，並且對於在 _A_ 中的所有 _a_，如果 _a_ $\lor $ _x_ = _a_ 則 _a_ 在 _p_ 中。

## 表示布林代數

可以證實所有的「有限」的布林代數都同構於一個有限集合的所有子集的布林代數。此外，所有的有限的布林代數的元素數目都是二的冪。Stone 的著名的布林代數表示定理陳述了「所有的」布林代數 _A_ 都同構於在某個（完全不連通緊緻郝斯多夫空間）拓撲空間中所有閉開集合的布林代數。

## 廣義布林代數

從布林代數的公理中去掉存在最大元 1 的要求產生了「廣義布林代數」。形式的說，分配格 _B_ 是廣義布林代數，如果它有最小元 0 並且對於任何 _B_ 中的元素 _a_ 和 _b_ 使得 _a_ ≤ _b_，存在一個元素 _x_ 使得 $a\land x=0$ 並且 $a\lor x=b$ 。定義 $a-b\,$ 為唯一的 _x_ 使得 $(a\land b)\lor x=a$ 並且 $(a\land b)\land x=0$ ，我們可以稱結構 $(B,\land ,\lor ,-,0)$ 是「廣義布林代數」，而 $(B,\lor ,0)$ 是「廣義布林半格」。

廣義布林格完全就是布林格的理想。

## 公理化布林代數

在 1933 年，美國數學家 Edward Vermilye Huntington（1874-1952）展示了對布林代數的如下公理化:

1. **交換律**: _x_ + _y_ = _y_ + _x_。
2. **結合律**: (_x_ + _y_) + _z_ = _x_ + (_y_ + _z_)。
3. **Huntington 等式**: ${\overline {{\overline {x}}+y}}+{\overline {{\overline {x}}+{\overline {y}}}}=x$ 。

Herbert Robbins 接著擺出下列問題: Huntington 等式能否替代為它的對偶等式，並且這個新等式與結合律和交換律一起成為布林代數的基礎？通過一組叫做「Robbins 代數」的公理，問題就變成了：是否所有的 Robbins 代數都是布林代數？

Robbins 代數的公理化:

1. **交換律**: _x_ + _y_ = _y_ + _x_。
2. **結合律**: (_x_ + _y_) + _z_ = _x_ + (_y_ + _z_)。
3. **Robbins 等式**: ${\overline {{\overline {x+y}}+{\overline {x+{\overline {y}}}}}}=x$ 。

這個問題自從 1930 年代一直是公開的，並成為阿爾弗雷德・塔斯基和他的學生最喜好的問題。

在 1996 年，William McCune 在阿貢國家實驗室，建造在 Larry Wos、Steve Winker 和 Bob Veroff 的工作之上，肯定的回答了這個長期存在的問題：所有的 Robbins 代數都是布林代數。這項工作是使用 McCune 的自動推理程式 EQP 完成的。

## 其它記號

布林代數的運算包含下列幾種，基本包含「與」(AND)、「或」(OR)、「非」(NOT)，其中由這三種又可組合成 NAND（與非）、NOR（或非）、XOR（互斥或）與 XNOR（互斥或非）。

常見使用記號：「 $\cdot $ 」表示 AND，「＋」表示 OR（如 CNF 和 DNF 中）或者 XOR（如 ANF 中）；A 中 A 上面的一橫表示 NOT；⊕表示 XOR；⊙表示 XNOR。

## 參見

* 布林代數主題列表
* 布林運算
* 邏輯代數
* 代數邏輯

## 參考資料

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## 外部連結

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