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MG · Übungsblatt 1 · Aufgabe 4

Formel mit Rechengesetzen vereinfachen

Eine lange Formel wird kürzer, ohne ihre Bedeutung zu ändern. Dafür gibt es Rechengesetze, ähnlich wie beim Rechnen mit Zahlen. Hier reichen fünf davon, dazu zweimal das Kommutativgesetz, und am Ende bleibt nur pp übrig. Der ganze Lösungsweg steht offen da, die Erklärung gehört jeweils zum aktuellen Schritt. Mit Weiter geht es Schritt für Schritt voran. Ein Klick auf einen Schritt springt direkt dorthin.

Die Aufgabe

Vereinfachen Sie die nachfolgende Formel soweit wie möglich ohne die Verwendung einer Wahrheitstafel:

¬(¬p∧q)∧(p∨q)\neg(\neg p \land q) \land (p \lor q)

Gegeben ist eine Formel mit den Aussagenvariablen pp und qq. Jede Variable steht für eine Aussage, die wahr (1) oder falsch (0) sein kann.

Aus Aufgabe 1 („Wahrheitstafeln aufstellen“): ¬\neg (nicht) dreht den Wert um. ∧\land (und) ist 1 nur, wenn beide Teile 1 sind. ∨\lor (oder) ist 1, sobald mindestens ein Teil 1 ist.

Gesucht ist eine möglichst kurze Formel, die für jede Belegung von pp und qq denselben Wert hat. Ohne Wahrheitstafel heißt: Man darf nicht alle Zeilen durchprobieren, sondern muss mit Rechengesetzen umformen.

Aus Aufgabe 3 („Gleichheit von Ausdrücken“): Zwei Ausdrücke AA und BB sind gleich (A=BA = B), wenn A⇔BA \Leftrightarrow B eine Tautologie ist. Das heißt: Beide haben in der Wahrheitstafel dieselbe Spalte.

Jedes Rechengesetz ist so eine Gleichheit. Darum darf man eine Seite durch die andere ersetzen, ohne den Wert der Formel zu ändern.

So gehen wir vor, je Schritt ein Gesetz:

  1. de Morgan: das ¬ vor der Klammer auflösen.
  2. Involutionsgesetz: das doppelte ¬ streichen.
  3. Distributivgesetz: das gemeinsame Stück ausklammern.
  4. Kommutativgesetz und Komplement: einen Teil erkennen, der immer 0 ist.
  5. Kommutativgesetz und neutrales Element: die 0 weglassen.
Merke: Bei jeder Zeile das Gesetz dazuschreiben. In der Klausur gibt es die Punkte für die genannten Gesetze, nicht nur für das Ergebnis.

de Morgan: das ¬ vor der Klammer auflösen

Das Gesetz von de Morgan
¬(A∧B)=¬A∨¬B\neg(A \land B) = \neg A \lor \neg B

Hier ist A=¬pA = \neg p und B=qB = q:

Angewandt auf den linken Teil
¬(¬p∧q)∧(p∨q)=(¬¬p∨¬q)∧(p∨q)\neg(\neg p \land q) \land (p \lor q) = (\neg\neg p \lor \neg q) \land (p \lor q)

Die Formel besteht aus zwei Teilen, die mit ∧\land verbunden sind. Der rechte Teil p∨qp \lor q ist schon kurz. Der linke Teil hat ein ¬\neg vor einer ganzen Klammer. So etwas kann man erst weiterverarbeiten, wenn das ¬\neg nach innen gewandert ist.

Genau das leistet das Gesetz von de Morgan: Das ¬\neg geht an jeden Teil, und aus ∧\land wird ∨\lor.

Ein Wort zur Schreibweise: Das Skript schreibt die Gesetze mit pp, qq, rr. Diese Buchstaben stehen dort für beliebige Ausdrücke, nicht für unser pp und qq. Damit nichts durcheinandergerät, schreiben wir die Gesetze hier mit AA, BB, CC und sagen jedes Mal, was eingesetzt wird.

Hier ist A=¬pA = \neg p und B=qB = q. Also wird aus ¬(¬p∧q)\neg(\neg p \land q) der Ausdruck ¬¬p∨¬q\neg\neg p \lor \neg q. Der rechte Teil p∨qp \lor q bleibt unverändert.

Involutionsgesetz: doppeltes ¬ streichen

Das Involutionsgesetz
¬(¬A)=A\neg(\neg A) = A

Hier ist A=pA = p:

Angewandt
(¬¬p∨¬q)∧(p∨q)=(p∨¬q)∧(p∨q)(\neg\neg p \lor \neg q) \land (p \lor q) = (p \lor \neg q) \land (p \lor q)

Jetzt steht ¬¬p\neg\neg p da: zweimal „nicht“ hintereinander. Das Involutionsgesetz sagt: Zweimal umdrehen ergibt den alten Wert.

Ist p=1p = 1, dann ist ¬p=0\neg p = 0, und zweimal umgedreht kommt wieder 11 heraus. Ist p=0p = 0, kommt wieder 00 heraus. Also darf man ¬¬p\neg\neg p durch pp ersetzen.

Noch 4 Schritte bis zum Ergebnis
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Die Kette der Umformungen

jede Zeile gleich der vorigen

Abbildung 1Die Kette der Umformungen

jede Zeile gleich der vorigen

  1. ¬(¬p∧q)∧(p∨q)\neg(\neg p \land q) \land (p \lor q)Ausgangsformel
  2. =(¬¬p∨¬q)∧(p∨q)(\neg\neg p \lor \neg q) \land (p \lor q)de Morgan
  3. =(p∨¬q)∧(p∨q)(p \lor \neg q) \land (p \lor q)Involutionsgesetz
  4. =p∨(¬q∧q)p \lor (\neg q \land q)Distributivgesetz
  5. =p∨0p \lor 0Kommutativ + Komplement
  6. =ppKommutativ + neutrales Element
LegendeZeile davorneue ZeileGefüllt ist die Formel der Aufgabe. Darunter, noch blass, die Kette bis zum Ergebnis p.