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第2章邏輯代數(shù)基礎(chǔ)2.1邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算2.2邏輯代數(shù)的基本定律和運(yùn)算規(guī)則2.3復(fù)合邏輯和常用邏輯門2.4邏輯函數(shù)的兩種標(biāo)準(zhǔn)形式2.5邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)方法基本要求1、熟悉邏輯代數(shù)的基本定律、運(yùn)算規(guī)則和常用公式。2、理解邏輯函數(shù)的建立及其表示方法。3、掌握邏輯函數(shù)的表示形式及相互轉(zhuǎn)換方法。4、了解邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)的含義。5、掌握邏輯函數(shù)的兩種化簡(jiǎn)方法--代數(shù)方法與卡諾圖方法。6、理解無關(guān)項(xiàng)的基本概念及在邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)中的應(yīng)用。邏輯代數(shù)是分析和設(shè)計(jì)邏輯電路的數(shù)學(xué)工具2
邏輯是指事物因果之間所遵循的規(guī)律。為了避免用冗繁的文字來描述邏輯問題,邏輯代數(shù)將事物發(fā)生的原因(條件)和結(jié)果分別用邏輯變量和邏輯函數(shù)來描述。2.1邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算2.1.1邏輯函數(shù)的基本概念3邏輯變量與普通代數(shù)的變量相似,可以用A、B、C和x、y、z等字母來表示。所不同的是,普通代數(shù)中變量的取值可以是任意的,而邏輯代數(shù)的變量和常量取值只有兩種,即邏輯0和邏輯1,因而稱為二值邏輯。必須指出,這里的邏輯0和邏輯1并不表示數(shù)量的大小,而是代表事物矛盾雙方的兩種狀態(tài),即兩種對(duì)立的邏輯狀態(tài)。例如,它們可以代表事件的真和偽,對(duì)和錯(cuò),型號(hào)的有、無,開關(guān)的通、斷,電平的高、低等。4例如,對(duì)于某電路,若輸入邏輯變量A、B、C、…的取值確定后,其輸出邏輯變量F的值也被唯一確定了,則可以稱F是A、B、C、…的邏輯函數(shù),并記為F=f(A,B,C,…)。邏輯函數(shù)與普通代數(shù)中的函數(shù)相似,它是隨著自變量的變化而變化的因變量。因此,如果用自變量和因變量分別表示某一事件發(fā)生的條件和結(jié)果,那么該事件的因果關(guān)系就可以用邏輯函數(shù)來描述。數(shù)字電路響應(yīng)輸入的方式稱為電路的邏輯,任何一個(gè)數(shù)字電路的輸出與輸入變量之間都存在一定的邏輯關(guān)系,并可以用邏輯函數(shù)來描述。52.1.2三種基本邏輯運(yùn)算邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算有:與(AND)、或(OR)、非(NOT)三種,它們可以由相應(yīng)的邏輯門來實(shí)現(xiàn)。邏輯運(yùn)算的描述方式:真值表、邏輯代數(shù)表達(dá)式、邏輯圖、卡諾圖、波形圖和硬件描述語言(HDL)等。6電路狀態(tài)表開關(guān)S1開關(guān)S2燈斷斷滅斷合滅合合斷滅合亮S1S2燈電源1、與運(yùn)算與邏輯:只有當(dāng)決定某一事件的條件全部具備時(shí),這一事件才會(huì)發(fā)生。這種因果關(guān)系稱為與邏輯關(guān)系。與邏輯舉例7
邏輯真值表ABL001010110001
與邏輯舉例狀態(tài)表開關(guān)S1開關(guān)S2燈斷斷滅斷合滅合合斷滅合亮1、與運(yùn)算所謂真值表,就是將輸入邏輯變量的所有取值組合與其對(duì)應(yīng)的輸出函數(shù)值列成表格的表示形式。8表2.1.1與邏輯真值表ABF000110110001與邏輯可以用邏輯表達(dá)式表示為L(zhǎng)=A·B=AB
在邏輯代數(shù)中,將與邏輯稱為與運(yùn)算或邏輯乘。符號(hào)“·”表示邏輯乘,在不致混淆的情況下,常省去符號(hào)“·”。9實(shí)現(xiàn)與邏輯的單元電路稱為與門。圖(a)為特定外形符號(hào)圖(b)為矩形輪廓符號(hào)其邏輯符號(hào)如圖2.1.2所示102、或運(yùn)算只要在決定某一事件的各種條件中,有一個(gè)或幾個(gè)條件具備時(shí),這一事件就會(huì)發(fā)生。這種因果關(guān)系稱為或邏輯關(guān)系。S1燈電源S2
或邏輯舉例11表2.1.2或邏輯真值表
ABF000110110111或邏輯可以用邏輯表達(dá)式表示為或邏輯也稱為或運(yùn)算或邏輯加。符號(hào)“+”表示邏輯加。F=A+B12圖2.1.4或門的邏輯符號(hào)133、非運(yùn)算事件發(fā)生的條件具備時(shí),事件不會(huì)發(fā)生;事件發(fā)生的條件不具備時(shí),事件發(fā)生。這種因果關(guān)系稱為非邏輯關(guān)系。
A
VNC
非邏輯舉例14AF0110表2.1.3非邏輯運(yùn)算真值表其邏輯表達(dá)式為通常稱A為原變量,A為反變量。15圖2.1.6非門邏輯符號(hào)16
2.2邏輯代數(shù)的基本定律和運(yùn)算規(guī)則
2.2.1基本定律表2.2.1邏輯代數(shù)的基本定律17
1.變量和常量的關(guān)系
0-1律、自等律、重疊律和互補(bǔ)律都是屬于變量和常量的關(guān)系式。
2.與普通代數(shù)相似的定律交換律、結(jié)合律、分配律的運(yùn)算法則與普通代數(shù)相似。
3.邏輯代數(shù)中的特殊定律反演律和還原律是邏輯代數(shù)中的特殊定律。反演律又稱為德·摩根(DeMorgan)定理,在邏輯代數(shù)中具有特殊重要的作用,它提供了一種變換邏輯表達(dá)式的方法,即可以將與運(yùn)算之非變成或運(yùn)算,將或運(yùn)算之非變成與運(yùn)算。18
任何一個(gè)邏輯等式,如果將等式兩邊所出現(xiàn)的某一變量都代之以同一邏輯函數(shù),則等式仍然成立,這個(gè)規(guī)則稱為代入規(guī)則。由于邏輯函數(shù)與邏輯變量一樣,只有0、1兩種取值,所以代入規(guī)則的正確性不難理解。運(yùn)用代入規(guī)則可以擴(kuò)大基本定律的運(yùn)用范圍。2.2.2三個(gè)重要規(guī)則
1.代入規(guī)則19對(duì)于任意一個(gè)邏輯表達(dá)式L,若將其中所有的與(?)換成或(+),或(+)換成與(?);原變量換為反變量,反變量換為原變量;將1換成0,0換成1;則得到的結(jié)果就是原函數(shù)的反函數(shù)。例2.1.1試求的非函數(shù)解:按照反演規(guī)則,得
運(yùn)用反演規(guī)則時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn):①不能破壞原式的運(yùn)算順序-----先算括號(hào)里的,然后按“先與后或”的原則運(yùn)算。②不屬于單變量上的非號(hào)應(yīng)保留不變。
2.反演規(guī)則203.對(duì)偶規(guī)則對(duì)于任何邏輯函數(shù)式,若將其中的與(?)換成或(+),或(+)換成與(?);并將1換成0,0換成1;那么,所得的新的函數(shù)式就是L的對(duì)偶式,記作。
例:邏輯函數(shù)的對(duì)偶式為當(dāng)某個(gè)邏輯恒等式成立時(shí),則該恒等式兩側(cè)的對(duì)偶式也相等,這就是對(duì)偶規(guī)則。利用對(duì)偶規(guī)則,可從已知公式中得到更多的運(yùn)算公式。例如,已知乘對(duì)加的分配律成立,即A(B+C)=AB+AC,根據(jù)對(duì)偶規(guī)則有,A+BC=(A+B)(A+C),即加對(duì)乘的分配律也成立。212.2.3若干常用公式1.合并律在邏輯代數(shù)中,如果兩個(gè)乘積項(xiàng)分別包含了互補(bǔ)的兩個(gè)因子(如B和B),而其它因子都相同,那么這兩個(gè)乘積項(xiàng)稱為相鄰項(xiàng)。
證:合并律說明,兩個(gè)相鄰項(xiàng)可以合并為一項(xiàng),消去互補(bǔ)量。22證:2.吸收律吸收律
其它常用恒等式
AB+AC+BC=AB+ACAB+AC+BCD=AB+AC232.3復(fù)合邏輯和常用邏輯門2.3.1復(fù)合邏輯運(yùn)算和復(fù)合門與非邏輯運(yùn)算是與運(yùn)算和非運(yùn)算的組合,即或非邏輯運(yùn)算是或運(yùn)算和非運(yùn)算的組合,即與或非邏輯運(yùn)算是與、或、非三種運(yùn)算的組合,即1.與非、或非、與或非邏輯運(yùn)算24圖2.3.1與非門、或非門和與或非門的邏輯符號(hào)
25異或Y=ABABY000011101110同或Y=A⊙BABY001010100111
2.異或和同或邏輯運(yùn)算⊙26由定義和真值表可見,異或邏輯與同或邏輯互為反函數(shù),即⊙⊙2728圖2.3.3用異或門控制同相、反相輸出29在邏輯代數(shù)中,與、或、非是三種最基本的邏輯運(yùn)算,用與、或、非三種運(yùn)算符和邏輯變量可以構(gòu)成任何邏輯函數(shù),因此稱與、或、非邏輯運(yùn)算符是一組完備集。但是與、或、非三種運(yùn)算符并不是最好的完備集,因?yàn)橛盟鼘?shí)現(xiàn)一個(gè)函數(shù)要使用三種不同規(guī)格的邏輯門。實(shí)際上由德·摩根定理可見,有了“與”和“非”便可得到“或”,有了“或”和“非”便可得到“與”,因此用“與非”、“或非”、“與或非”運(yùn)算中的任何一種都能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)“與、或、非”運(yùn)算,這三種復(fù)合運(yùn)算每種都是完備集,而且實(shí)現(xiàn)函數(shù)只需一種規(guī)格的邏輯門,這就給設(shè)計(jì)帶來了許多方便。2.3.2常用邏輯門及邏輯函數(shù)表達(dá)式的常用形式1.邏輯運(yùn)算符的完備性302.邏輯函數(shù)表達(dá)式的常用形式
幾種常用邏輯門的實(shí)際器件及引腳圖如圖2.3.4所示。從圖中可以看出,每個(gè)集成芯片都包含了若干個(gè)相同的邏輯門,如7400為四2輸入與非門,7402為四2輸入或非門,7404為6反相器等。圖2.3.4幾種常用邏輯門的實(shí)際器件及引腳圖當(dāng)用邏輯門實(shí)現(xiàn)某一邏輯函數(shù)時(shí),如果選擇實(shí)際器件的功能、型號(hào)不同,則邏輯函數(shù)表達(dá)式的形式也不相同,因此必須將邏輯函數(shù)式變換成相應(yīng)的形式。31任何一個(gè)邏輯函數(shù)可以有多種邏輯函數(shù)表達(dá)式,最常用的形式有五種:與或式、或與式、與非-與非式、或非-或非式、與或非式。
與或式和或與式是函數(shù)表達(dá)式的兩種基本形式。單個(gè)邏輯變量(或反變量)進(jìn)行與運(yùn)算構(gòu)成的項(xiàng)稱為“與項(xiàng)”(也稱為“乘積項(xiàng)”),由“與項(xiàng)”相“或”構(gòu)成的表達(dá)式稱為“與或”表達(dá)式或“積之和”表達(dá)式。單個(gè)邏輯變量(或反變量)進(jìn)行或運(yùn)算構(gòu)成的項(xiàng)稱為“或項(xiàng)”或“和項(xiàng)”,由“或項(xiàng)”相“與”構(gòu)成的表達(dá)式稱為“或與”表達(dá)式或“和之積”表達(dá)式。32“或-與”表達(dá)式“與非-與非”表達(dá)式
“與-或-非”表達(dá)式“或非-或非”表達(dá)式“與-或”表達(dá)式最常用的形式有五種:33與或式或與式與非與非式或非或非式與或非式341.德·摩根(DeMorgan)定理與邏輯門的等效符號(hào)德·摩根定理提供了一種變換邏輯運(yùn)算符號(hào)的方法,利用該定理可以將任何與(AND)形式的邏輯門和或(OR)形式的邏輯門互換。例如一個(gè)2輸入與非門的邏輯符號(hào)如圖2.3.6(a)所示,根據(jù)德·摩根定理 可畫出圖(b)所示的等效電路,它意味著每個(gè)輸入端接有反相器的或門等效于一個(gè)與非門。將圖(b)中的非門用小圓圈表示,則可畫出與非門的等效符號(hào),如圖(c)所示,其輸入端的小圓圈表示非運(yùn)算。2.3.3常用邏輯門的等效符號(hào)及有效電平35圖2.3.6與非門及其等效符號(hào)36
必須指出,上述邏輯門的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)和等效符號(hào)都是在正邏輯體制下,用不同的符號(hào)形式描述同一邏輯功能的函數(shù)。這里的等效符號(hào)并不是負(fù)邏輯表示方法。邏輯門的等效符號(hào)可以用來對(duì)邏輯電路進(jìn)行變換或化簡(jiǎn)。37圖2.3.7各種邏輯門的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)和等效符號(hào)38對(duì)于正邏輯體制,高電平用邏輯1表示,低電平用邏輯0表示;負(fù)邏輯體制正好相反,高電平用邏輯0表示,低電平用邏輯1表示。同一電路的輸入、輸出關(guān)系既可以用正邏輯描述,也可以用負(fù)邏輯描述。通常兩種邏輯體制的互換如下:正與非<=>負(fù)或非,正或非<=>負(fù)與非,正與<=>負(fù)或,正或<=>負(fù)與由于實(shí)際應(yīng)用中很少采用負(fù)邏輯,所以本書均采用正邏輯體制。選擇邏輯體制不同,則同一電路的邏輯功能也不同。392.有效電平的概念有效電平規(guī)定:當(dāng)邏輯符號(hào)的輸入或輸出引腳上沒有小圓圈時(shí),表示該引腳是高電平有效;當(dāng)邏輯符號(hào)的輸入或輸出引腳上有小圓圈時(shí),表示該引腳是低電平有效。40特別是后面章節(jié)所講述的中、大規(guī)模集成芯片,其輸入、輸出引腳都有可能是高電平有效或低電平有效,即信號(hào)為高電平或低電平時(shí)芯片(或電路)才能完成規(guī)定的功能。因此輸入信號(hào)的電平必須與芯片(或電路)所要求的有效電平相匹配才能正常工作。有效電平的概念對(duì)于分析電路的工作狀態(tài)十分重要412.4邏輯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式2.4.1最小項(xiàng)和標(biāo)準(zhǔn)與或式1、最小項(xiàng)的定義
n個(gè)變量的最小項(xiàng)是n個(gè)變量的“與項(xiàng)”,其中每個(gè)變量都以原變量或反變量的形式出現(xiàn)一次。424344①n變量的全部最小項(xiàng)的邏輯和恒為1,即②任意兩個(gè)不同的最小項(xiàng)的邏輯乘恒為0,即③n變量的每一個(gè)最小項(xiàng)有n個(gè)相鄰項(xiàng)。例如,三變量的某一最小項(xiàng)有三個(gè)相鄰項(xiàng):。這種相鄰關(guān)系對(duì)于邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)十分重要。最小項(xiàng)具有以下性質(zhì)45如果在一個(gè)與或表達(dá)式中,所有與項(xiàng)均為最小項(xiàng),則稱這種表達(dá)式為最小項(xiàng)表達(dá)式,或稱為標(biāo)準(zhǔn)與或式、標(biāo)準(zhǔn)積之和式。是一個(gè)三變量的最小項(xiàng)表達(dá)式,它也可以簡(jiǎn)寫為2、最小項(xiàng)表達(dá)式——標(biāo)準(zhǔn)與或式例如:46任何一個(gè)邏輯函數(shù)都可以表示為最小項(xiàng)之和的形式:只要將真值表中使函數(shù)值為1的各個(gè)最小項(xiàng)相或,便可得出該函數(shù)的最小項(xiàng)表達(dá)式。由于任何一個(gè)函數(shù)的真值表是惟一的,因此其最小項(xiàng)表達(dá)式也是惟一的。表2.4.2真值表ABCF00000101001110010111011100001110472.5邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法定義:邏輯函數(shù)的最簡(jiǎn)與-或表達(dá)式在若干個(gè)邏輯關(guān)系相同的與-或表達(dá)式中,將其中包含的與項(xiàng)數(shù)最少,且每個(gè)與項(xiàng)中變量數(shù)最少的表達(dá)式稱為最簡(jiǎn)與-或表達(dá)式。482.5邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法2.5.1代數(shù)化簡(jiǎn)法利用公式AB+AB=A將兩項(xiàng)合并成一項(xiàng),并消去互補(bǔ)因子。如:1.并項(xiàng)法49利用吸收律
A+AB=A、和吸收(消去)多余的乘積項(xiàng)或多余的因子。如:2.吸收法50利用重疊律A+A=A、互補(bǔ)律A+A=1和吸收律AB+AC+BC=AB+AC先配項(xiàng)或添加多余項(xiàng),然后再逐步化簡(jiǎn)。(添多余項(xiàng)AB)(去掉多余項(xiàng)AB)3.配項(xiàng)法5152剩下時(shí)間做下面的習(xí)題化簡(jiǎn)函數(shù)5354卡諾圖由美國(guó)工程師卡諾(Karnaugh)首先提出,故稱卡諾圖,簡(jiǎn)稱K圖。它是一種按相鄰規(guī)則排列而成的最小項(xiàng)方格圖,利用相鄰項(xiàng)不斷合并的原則可以使邏輯函數(shù)得到化簡(jiǎn)。由于這種圖形化簡(jiǎn)法簡(jiǎn)單而直觀,因而得到了廣泛應(yīng)用。2.5.2卡諾圖(KarnaughMap)化簡(jiǎn)法55
在邏輯函數(shù)的真值表中,輸入變量的每一種組合都和一個(gè)最小項(xiàng)相對(duì)應(yīng),這種真值表也稱最小項(xiàng)真值表??ㄖZ圖就是根據(jù)最小項(xiàng)真值表按一定規(guī)則排列的方格圖。1、卡諾圖的構(gòu)成56由于行、列變量的取值都按格雷碼排列,因此每?jī)蓚€(gè)相鄰方格中的最小項(xiàng)都是相鄰項(xiàng)。5758K圖具有如下特點(diǎn):(1)n變量的卡諾圖有2n個(gè)方格,對(duì)應(yīng)表示2n個(gè)最小項(xiàng)。每當(dāng)變量數(shù)增加一個(gè),卡諾圖的方格數(shù)就會(huì)擴(kuò)大一倍。(2)卡諾圖中任何相鄰位置的兩個(gè)最小項(xiàng)都是相鄰項(xiàng)。變量取值的順序按格雷碼排列,以確保各相鄰行(列)之間只有一個(gè)變量取值不同,從而保證了卡諾圖具有這一重要特點(diǎn)。相鄰位置包括三種情況:一是相接,即緊挨著;二是相對(duì),即任意一行或一列的兩頭;三是相重,即對(duì)折起來位置重合。59只要將構(gòu)成邏輯函數(shù)的最小項(xiàng)在卡諾圖上相應(yīng)的方格中填1,其余的方格填0(或不填),則可以得到該函數(shù)的卡諾圖。也就是說,任何一個(gè)邏輯函數(shù)都等于其卡諾圖上填1的那些最小項(xiàng)之和。2、邏輯函數(shù)的卡諾圖表示法(1)給出邏輯函數(shù)的最小項(xiàng)表達(dá)式60例如,用卡諾圖表示函數(shù)時(shí),只需在三變量卡諾圖中將m0、m3、m4、m6處填1,其余填0(或不填),如下圖所示。61將一般與或式中每個(gè)與項(xiàng)在卡諾圖上所覆蓋的最小項(xiàng)處都填1,其余的填0(或不填),就可以得到該函數(shù)的卡諾圖。(2)給出邏輯函數(shù)的一般與或式下面看看這個(gè)圖怎么得來的?62
63646566673、最小項(xiàng)合并規(guī)律在卡諾圖中,凡是幾何位置相鄰的最小項(xiàng)均可以合并。兩個(gè)相鄰最小項(xiàng)合并為一項(xiàng),消去一個(gè)互補(bǔ)變量。在卡諾圖上該合并圈稱為單元圈,它所對(duì)應(yīng)的與項(xiàng)由圈內(nèi)沒有變化的那些變量組成,可以直接從卡諾圖中讀出。
任何兩個(gè)相鄰的單元K圈也是相鄰項(xiàng),仍然可以合并,消去互補(bǔ)變量。因此,如果K圈越大,消去的變量數(shù)就越多。686970①任何一個(gè)合并圈(即卡諾圈)所含的方格數(shù)為2n個(gè)。②必須按照相鄰規(guī)則畫卡諾圈,幾何位置相鄰包括三種情況:一是相接,即緊挨著的方格相鄰;二是相對(duì),即一行(或一列)的兩頭、兩邊、四角相鄰;三是相重,即以對(duì)稱軸為中心對(duì)折起來重合的位置相鄰。③2m個(gè)方格合并,消去m個(gè)變量。合并圈越大,消去的變量數(shù)越多。最小項(xiàng)合并有以下特點(diǎn)71將函數(shù)化簡(jiǎn)為最簡(jiǎn)與或式在卡諾圖上以最少的卡諾圈數(shù)和盡可能大的卡諾圈覆蓋所有填1的方格,即滿足最小覆蓋,就可以求得邏輯函數(shù)的最簡(jiǎn)與或式。4、用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)的一般步驟如下:
(1)填卡諾圖,即用卡諾圖表示邏輯函數(shù)。
(2)畫卡諾圈合并最小項(xiàng)。選擇卡諾圈的原則是:先從只有一種圈法的1格圈起,卡諾圈的數(shù)目應(yīng)最少(與項(xiàng)的項(xiàng)數(shù)最少),卡諾圈應(yīng)最大(對(duì)應(yīng)與項(xiàng)中變量數(shù)最少)。
(3)寫出最簡(jiǎn)函數(shù)式。將每個(gè)卡諾圈寫成相應(yīng)的與項(xiàng),并將它們相或,便得到最簡(jiǎn)與或式。72圈卡諾圈時(shí)應(yīng)注意,根據(jù)重疊律(A+A=A),任何一個(gè)1格可以多次被圈用,但如果在某個(gè)K圈中所有的1格均已被別的K圈圈過,則該圈是多余圈。
為了避免出現(xiàn)多余圈,應(yīng)保證每個(gè)K圈至少有一個(gè)1格只被圈一次。
73【例】將 化簡(jiǎn)為最簡(jiǎn)與或式
解:(1)畫出F的K圖,如下圖。74按照最小項(xiàng)合并規(guī)律,將可以合并的最小項(xiàng)分別圈起來。(3)寫出最簡(jiǎn)式(2)畫K圈75解:①
畫出F的K圖。給出的F為一般與或式,將每個(gè)與項(xiàng)所覆蓋的最小項(xiàng)都填1,K圖如圖2.5.9所示?!纠?.5.2】用卡諾圖將以下函數(shù)式化簡(jiǎn)為最簡(jiǎn)與或式:76本例有兩種圈法,都可以得到最簡(jiǎn)式。按圖2.5.9(b)圈法:該例說明,邏輯函數(shù)的最簡(jiǎn)式不是惟一的。②畫K圈化簡(jiǎn)函數(shù)。③寫出最簡(jiǎn)與或式。按圖2.5.9(a)圈法:77
邏輯問題分為完全描述和非完全描述兩種。如果對(duì)于輸入變量的每一組取值,邏輯函數(shù)都有確定的值,則稱這類函數(shù)為完全描述的邏輯函數(shù)。如果對(duì)于輸入變量的某些取值組合,邏輯函數(shù)值不確定,即函數(shù)值可以為0,也可以為1,那么稱這類函數(shù)為
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