พีชคณิตแบบบูล

ในคณิตศาสตร์และคณิตตรรกศาสตร์ พีชคณิตแบบบูล (หรือเรียกชื่ออื่นว่า พีชคณิตบูลเลียน หรือ แลตทิซแบบบูล) (อังกฤษ: Boolean algebra) คือโครงสร้างเชิงพีชคณิตซึ่งเป็นการรวบรวมแก่นความหมายของการดำเนินการทางตรรกศาสตร์และทฤษฎีเซต โดยชื่อ พีชคณิตแบบบูล นั้นตั้งตามจอร์จ บูล ผู้พัฒนาพีชคณิตแบบนี้

พีชคณิตบูลีนเป็นสาขาของพีชคณิตซึ่งค่าของตัวแปรคือค่าความจริง จริงและเท็จ โดยปกติจะแสดงเป็น 1 และ 0 ตามลำดับ แต่ต่างจากพีชคณิตขั้นพื้นฐาน ที่ค่าของตัวแปรเป็นตัวเลขและการดำเนินการเฉพาะคือการบวกและการคูณ การดำเนินการหลักของพีชคณิตบูลีน (ตัวดำเนินการตรรกะ) คือ การรวม (และ) แสดงเป็น ∧ การไม่แยก (หรือ) แสดงเป็น ∨ และการปฏิเสธ (ไม่) แสดงเป็น ¬ เป็นวิธีการทางคณิตศาสตร์สำหรับอธิบายการดำเนินการเชิงตรรกะ ในลักษณะเดียวกับที่พีชคณิตขั้นพื้นฐานที่ใช้อธิบายการดำเนินการเชิงตัวเลข^[1]

พีชคณิตแบบบูล คิดค้นขึ้นโดย จอร์จ บูล (George Boole) ในหนังสือเล่มแรกของเขาเรื่อง The Mathematical Analysis of Logic (ค.ศ. 1847) และมีเนื้อหาครบถ้วนมากขึ้นใน An Investigation of the Laws of Thought (ค.ศ. 1854)^[2] พีชคณิตบูลีนเป็นหลักคณิตศาสตร์พื้นฐานในการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล และ ใช้ประยุกต์ในการเขียนภาษาโปรแกรมสมัยใหม่ทั้งหมด นอกจากนี้ยังมีการใช้พีชคณิตแบบบูลในทฤษฎีเซตและสถิติศาสตร์^[3]

ประวัติ

จอร์จ บูล นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ที่ยูนิเวอร์ซิตีคอลเลจ คอร์ก ผู้ที่นิยามพีชคณิตดังกล่าวขึ้นมาเพื่อเป็นส่วนหนึ่งของระบบทางตรรกศาสตร์ในกลางคริสต์ศตวรรษที่ 19 พีชคณิตแบบบูลนำเทคนิคทางพีชคณิตมาใช้กับนิพจน์ในตรรกศาสตร์เชิงประพจน์ ในปัจจุบันพีชคณิตแบบบูลได้ถูกนำไปประยุกต์อย่างแพร่หลายในการออกแบบทางอิเล็กทรอนิกส์ ผู้ที่นำไปใช้คนแรกคือคลาวด์ อี. แชนนอน นักวิทยาศาสตร์แห่งห้องทดลองเบลล์ (Bell Laboratory) ในคริสต์ศตวรรษที่ 20 โดยนำมาใช้ในการวิเคราะห์วงจรเน็ตเวิร์กที่ทำงานต่อกันหลายภาค เช่น วงจรของโทรศัพท์ เป็นต้น เมื่อมีการพัฒนาวงจร คอมพิวเตอร์ขึ้นก็ได้มีการนำเอาพีชคณิตบูลีนมาใช้ในการคำนวณ ออกแบบ และอธิบายสภาวะการทำงานของสถานะวงจรภายในระบบคอมพิวเตอร์ โดยพีชคณิตบูลีนเป็นพื้นฐานสำคัญในการออกแบบวงจรตรรกของระบบดิจิทัล

นิยาม

พีชคณิตแบบบูล คือ เซต A ที่ประกอบด้วยการดำเนินการทวิภาค คือ ${\displaystyle \land }$ (AND) กับ ${\displaystyle \lor }$ (OR), การดำเนินการเอกภาค คือ ${\displaystyle \lnot }$ / ~ (NOT) และสมาชิกคือ 0 (FALSE) กับ 1 (TRUE) ซึ่งสำหรับสมาชิก a, b และ c ของเซต A จะมีคุณสมบัติเป็นไปตามสัจพจน์เหล่านี้

สมบัติของ ${\displaystyle \lor }$	สมบัติของ ${\displaystyle \land }$	ชื่อเรียก
${\displaystyle a\lor (b\lor c)=(a\lor b)\lor c}$	${\displaystyle a\land (b\land c)=(a\land b)\land c}$	การเปลี่ยนหมู่
${\displaystyle a\lor b=b\lor a}$	${\displaystyle a\land b=b\land a}$	การสลับที่
${\displaystyle a\lor (a\land b)=a}$	${\displaystyle a\land (a\lor b)=a}$	absorption
${\displaystyle a\lor (b\land c)=(a\lor b)\land (a\lor c)}$	${\displaystyle a\land (b\lor c)=(a\land b)\lor (a\land c)}$	การแจกแจง
${\displaystyle a\lor \lnot a=1}$	${\displaystyle a\land \lnot a=0}$	ส่วนเติมเต็ม

สำหรับสมาชิก a และ b ใน A มันจะมีเอกลักษณ์ดังต่อไปนี้

สมบัติของ ${\displaystyle \lor }$	สมบัติของ ${\displaystyle \land }$	ชื่อเรียก
${\displaystyle a\lor a=a}$	${\displaystyle a\land a=a}$	นิจพล (idempotency)
${\displaystyle a\lor 0=a}$	${\displaystyle a\land 1=a}$	มีขอบเขต (boundedness)
${\displaystyle a\lor 1=1}$	${\displaystyle a\land 0=0}$
${\displaystyle \lnot 0=1}$	${\displaystyle \lnot 1=0}$	0 และ 1 เป็นส่วนเติมเต็มกัน
${\displaystyle \lnot (a\lor b)=\lnot a\land \lnot b}$	${\displaystyle \lnot (a\land b)=\lnot a\lor \lnot b}$	กฎเดอมอร์แกน (de Morgan's laws)
${\displaystyle \lnot \lnot a=a}$		อวัตนาการ (involution)

ตัวดำเนินการของบูลในรูปแบบต่าง ๆ

ตัวดำเนินการของบูล

ตรรกศาสตร์	ทฤษฏีเซต	วงจรดิจิทัล
${\displaystyle true}$	${\displaystyle U}$ (เอกภพสัมพัทธ์)	${\displaystyle 1}$
${\displaystyle false}$	${\displaystyle \emptyset }$ (เซตว่าง)	${\displaystyle 0}$
${\displaystyle \lor }$	${\displaystyle \cup }$	${\displaystyle +}$
${\displaystyle \land }$	${\displaystyle \cap }$	${\displaystyle \cdot }$

การนำไปใช้

• เรานำพีชคณิตแบบบูลไปใช้ในตรรกศาสตร์ได้ โดยตีความให้ 0 หมายถึง เท็จ, 1 หมายถึง จริง, ∧ แทนคำว่า และ, ∨ แทนคำว่า หรือ, และ ¬ แทนคำว่า ไม่
• พีชคณิตแบบบูลที่มีสมาชิก 2 ตัวนั้น นำไปใช้ประโยชน์ในการออกแบบวงจรไฟฟ้าในงานวิศวกรรมไฟฟ้าได้ โดย 0 และ 1 แทนสถานะที่แตกต่างกันของบิตในวงจรดิจิทัล นั่นก็คือสถานะศักย์ไฟฟ้าสูงและต่ำ