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布尔电路

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在计算复杂性理论和电路复杂性理论中,布尔电路是数字逻辑电路的数学模型。一种形式语言可以通过一族布尔电路确定,其中一个电路对应一个可能的输入长度。在数字电子学中,布尔电路也被用作组合逻辑的形式模型。

布尔电路是根据其包含的“逻辑门”来定义的。例如,一个电路可能包含二元“与”和“或”门以及一元“非”门,或者完全由二元“与非”门描述。每个门对应于一个布尔函数,该函数以固定位数作为输入,只输出一位。

布尔电路为计算机工程中使用的许多数字元件提供了模型,包括多路复用器、加法器和算术逻辑单元。

1 形式定义编辑

在给出布尔电路的形式化定义时,沃尔默首先将基定义为布尔函数的集合B,对应于电路模型中容许的门。然后,一个基于B的,有n个输入和m个输出的布尔电路被定义为一个有限有向无环图。每个顶点对应于一个基函数或一个输入,并且恰好存在一组m个节点被标记为输出。[1]图上的边还必须有某种顺序,以区分同一个布尔函数的不同参数。[2]

作为一种特例,命题公式(或布尔表达式)也是一个布尔电路,它只有一个输出节点,其他每个节点的扇出系数都为1。因此,布尔电路可以被视为允许共享子式和多个输出的一般形式。

所有布尔电路的一个共同基是集合{与,或,非},该集合是功能完备的,也就是说,所有其他布尔函数都可以从这个集合中构造出来。

2 计算复杂性编辑

2.1 电路评估

电路求值问题,即在给定输入串上计算给定布尔电路的输出问题,是一个P-完全决策问题。[3]因此,这个问题被认为是“内在有序”的,这意味着该问题不能通过高效、高度并行的算法来解决。

2.2 复杂性度量

在布尔电路中可以定义几种重要的复杂度度量,包括电路深度、电路规模以及与门和或门之间的交替次数。例如,布尔电路的规模复杂度就是门的数量。

2.3 复杂性类别

在布尔电路中定义了几个重要的复杂度类,其中包括NC类。NC类被定义为一组布尔函数,这些函数可以由统一的多项式大小和多对数深度的布尔电路决定。这里,“统一”意味着电路族上必须存在某种条件,以便仅根据电路的输入数量来推断电路的类型。

    参考文献

    • [1]

      ^Vollmer 1999, p. 8..

    • [2]

      ^Vollmer 1999, p. 9..

    • [3]

      ^S. Arora & B. Barak. Computational complexity, a modern approach. p. 119..

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