开关电路与布尔代数.doc

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开关电路与布尔代数 《开关电路与布尔代数》是根据教育部制订的《普通高中数学课程标准(实验) 》 选修系列4第10个专题“开关电路与布尔代数”的要求编写的,根据《标准》的要求,教科书以开关电路设计为背景引入一种类似数的对象并引入这些对象之间的运算.因为,在初中物理中,我们都学习了基本电路——串联电路和并联电路,已经熟悉了这些电路的基本功能, 也能熟练地利用这些电路搭建较为复杂的电路,那么能不能用数学来帮助我们刻画这些现象呢?于是,我们将对这种新的运算系统进行探讨,得出类似于“数的运算”的各种性质,最后应用这个数学理论, 彻底解决开关电路的设计问题,这就是本专题将要解决的问题.本专题以设计由三人控制一个电灯的电路为背景,从开关电路设计,提出一个具体问题,将电路设计数学化为电路代数和电路多项式,再数学地研究电路和电路多项式,完全解决最初提出的问题,完整地给出一个电路代数的数学模型,这也是布尔代数的一个实际应用,从中可感受到数学化的抽象过程,以及数学理论的应用价值. 一、背景知识介绍 布尔代数又称逻辑代数,正是以它的创立者——英国数学家乔治. 布尔(G.Boole)而命名.1815年生于伦敦的布尔家境贫寒,父亲是位鞋匠,无力供他读书.他的学问主要来自于自学.年仅12岁,布尔就掌握了拉丁文和希腊语,后来又自学了意大利语和法语.16岁开始任教以维持生活,从20岁起布尔对数学产生了浓厚兴趣,广泛涉猎著名数学家牛顿、拉普拉斯、拉格朗日等人的数学名著,并写下大量笔记.这些笔记中的思想,1847年被用于他的第一部著作《逻辑的数学分析》之中.1854年,已经担任柯克大学教授的布尔再次出版《思维规律的研究——逻辑与概率的数学理论基础》.以这两部著作,布尔建立了一门新的数学学科. ?????? 在布尔代数里,布尔构思出一个关于0和1的代数系统,用基础的逻辑符号系统描述物体和概念.这种代数不仅广泛用于概率和统计等领域,更重要的是,它为今后数字计算机开关电路设计提供了最重要数学方法. ?????? 布尔一生发表了50多篇科学论文、两部教科书和两卷数学逻辑著作.为了表彰他的成功,都柏林大学和牛津大学先后授予这位自学的成才的数学家荣誉学位,他还被推选为英国皇家学会会员. 开关电路与布尔代数的关系信息论的创始人克劳德·香农(C. E. Shannon)对现代电子计算机的产生和发展有重要影响,是电子计算机理论的重要奠基人之一 ?????? 香农在贝尔实验室工作中进一步证明,可以采用能实现布尔代数运算的继电器或电子元件来制造计算机,香农的理论还为计算机具有逻辑功能奠定了基础,从而使电子计算机既能用于数值计算,又具有各种非数值应用功能,使得以后的计算机在几乎任何领域中都得到了广泛的应用. ?????? 1840年取得了博士学位,香农在ATT贝尔实验室里度过了硕果累累的15年.他用实验证实,完全可以采用继电器元件制造出能够实现布尔代数运算功能的计算机.1948年,申龙又发表了另一篇至今还在闪烁光芒的论文——《通信的数学基础》, 从而给自己赢来“信息论之父”的桂冠. ????1956年,他参与发起了达特默斯人工智能会议,成为这一新学科的开山鼻祖之一.他不仅率先把人工智能运用于电脑下棋方面,而且发明了一个能自动穿越迷宫的电子老鼠,以此证明计算机可以通过学习提高智能. ????计算机运行的时候,程序就象一系列或真或假的命题,当命题进入电路时,按布尔代数他们将电路打开或关闭,例如当两个真的命题进入一个电路时.电路打开,但是当一个真的命题和一个假的命题进入一个电路时,电路关闭,利用布尔代数,我们就可以把数以百计的电路结合起来,并编写出充满想象力的计算机应用程序. 今天,布尔代数已成为我们生活中的一部分,因为我们的汽车、音响、电视和其它用具中都有计算机技术,它几乎无处不在,无所不能.实际上大多数人还没有意识. 二、开关电路 开关电路就是由开关经多次并联、串联与反演所得到的电路. 每一开关有两种状态:通和不通,每一电路也有两种状态: 通和不通.下面将用小写英文字母表示开关, 大写英文字母表示电路, 但由一个开关a组成的电路,仍记作a.并联和串联电路我们在初中就见过了,已经很熟悉了,现简单说下电路的反演,它就是指在开关a“通”时,电路A的状态是“不通”,开关a“不通”时,电路A的状态是“通”,这样的电路在物理上是可以实现的. 一般地对任意电路A , B 也可经并联,串联或反演得到新的电路,它们顺序记作“A 并联B”、“A串联B”、“A 的反演”. 原来A 、B 的状态与这些新作成的电路的状态之间的关系列表如下: 电路A 电路B A并联B 通 通 通 通 不通 通 不通

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