数学概念:布尔代数
计算机随处可见,从口袋里的智能手机,到背包里的笔记本电脑,再到亚马逊处理在线交易使用的庞大服务器,计算设备已经渗透到我们日常生活的各个角落。但是,它究竟是怎样工作的?机箱里的金属元件是如何让我们能够上网、和朋友共享照片或者进行加减运算的?
答案在于数学。计算机电路是根据1815—1864年英国数学家乔治·布尔提出的原理构造的,布尔因为将代数方法应用到逻辑学(一个研究人们在假设的基础上得出结论的规则的学科)而声名鹊起,逻辑论证(通过一系列陈述和推理建立论点)的一个经典例子与古希腊大哲学家苏格拉底有关:
凡是人都会死,
苏格拉底是人,
所以苏格拉底会死。
这种论证形式被称为三段论,它很有趣,因为只要前两个前提是真的,结论就一定为真。我们不一定要用“人”“会死”和“苏格拉底”这些词,可以用任意词来替代,下面是另一个版本:
凡是鸟都有翅膀,
大嘴鸟是鸟,
所以大嘴鸟有翅膀。
逻辑适用的范围远不止人和鸟,它也可以被用来处理命题———或真或假的陈述,我们还可以利用“和”“或”“非”这些词来连接这些陈述,得出的复合命题也有各自的真值。下面是几个简单命题的例子:
法国现在有国王。
狗可以在水下呼吸。
红灯亮时,车应该停下来。
前两个命题是假的,第三个命题是真的。下面是几个复合命题的例子:
阳光明媚,且奶牛在山丘上吃草。(和)
要么在下雨,要么在下雪。(或)
车在移动,且它的轮子在转。(和)
现在将上面的复合命题分解:
●在第一个复合命题中,如果关于阳光和奶牛的命题都是真的,最后的复合命题也为真。如果任何一个简单命题是假的(或者两个都为假),整个复合命题也为假。
●在第二个复合命题中,关于下雨或下雪的命题有一个是真的,整个复合命题也是真的。
●在第三个复合命题中,当两个简单命题都为真时,整个复合命题才是真的。有一个简单命题是假的,整个命题也为假。
布尔的创新之处在于,他发现我们可以用数学符号来表示命题的逻辑论证。举个例子,如果用X和Y分别代表关于阳光和奶牛的命题,在某种程度上,我们可以把两个命题相加,得到一个真值:1代表真,0代表假。
“和”“或”“非”这些连接词绝不只是抽象概念。20世纪的工程师懂得如何利用逻辑门这种实际的物理形式来表示这些连接词,最终,这些逻辑门被集成到了晶体管和计算机芯片中,支撑着计算机每天所做的基本运算。所有运算的基础都是以电子形式的“真”或“假”为基础的。所以说,在精致的计算机屏幕下面,跳动着的是数学的心脏。
乔治·布尔
历史学家坚持认为,乔治·布尔从小就自学拉丁语。后来,他成为英国皇后学院理学院院长,并与玛丽·埃佛勒斯(乔治·埃佛勒斯的侄女,埃佛勒斯峰[1]正是以他的名字命名的)完婚。
注释
[1]即珠穆朗玛峰,西方普遍称其为埃佛勒斯峰,因纪念英国人占领尼泊尔之时,负责测量喜马拉雅山脉的印度测量局局长乔治·埃佛勒斯而命名。
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