Диаграмма Эйлера

редактировать
Диаграмма Эйлера, иллюстрирующая, что набор «животных с четырьмя ногами» является подмножеством «животных», но набор « минералы »не пересекаются (не имеют общих членов) с« животными » Диаграмма Эйлера, показывающая отношения между различными объектами Солнечной системы

Диаграмма Эйлера (, ) - это схематическое средство представления наборов и их взаимосвязей. Они особенно полезны для объяснения сложных иерархий и пересекающихся определений. Они похожи на другую технику построения диаграмм, диаграммы Венна. В отличие от диаграмм Венна, которые показывают все возможные отношения между различными наборами, диаграмма Эйлера показывает только релевантные отношения.

Первое использование «кругов Эйлера» обычно приписывается швейцарскому математику Леонарду Эйлеру (1707–1783). В Соединенных Штатах и ​​диаграммы Венна, и диаграммы Эйлера были включены как часть инструкций по теории множеств в рамках движения новой математики 1960-х годов. С тех пор они также были приняты другими учебными предметами, такими как чтение, а также организациями и предприятиями.

Диаграммы Эйлера состоят из простых замкнутых фигур в двухмерной плоскости, каждая из которых изображает набор или категорию. Как или если эти формы перекрываются, демонстрирует отношения между наборами. Каждая кривая делит плоскость на две области или «зоны»: внутреннюю, которая символически представляет элементы набора, и внешнюю, которая представляет все элементы, не являющиеся членами набора. Кривые, которые не перекрываются, представляют непересекающиеся множества, не имеющие общих элементов. Две перекрывающиеся кривые представляют наборы, которые пересекают и имеют общие элементы; зона внутри обеих кривых представляет набор элементов, общих для обоих наборов (пересечение наборов). Кривая, полностью находящаяся внутри другого, является его подмножеством.

Диаграммы Венна - более ограниченная форма диаграмм Эйлера. Диаграмма Венна должна содержать все 2 логически возможные зоны перекрытия между ее n кривыми, представляющие все комбинации включения / исключения составляющих ее наборов. Области, не входящие в набор, обозначаются черным цветом, в отличие от диаграмм Эйлера, где принадлежность к набору обозначается как перекрытием, так и цветом.

Содержание
  • 1 История
  • 2 Связь между диаграммами Эйлера и Венна
    • 2.1 Пример: диаграмма Эйлера и Венна и карта Карно
  • 3 Галерея
  • 4 См. Также
  • 5 Примечания
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература
  • 8 Внешние ссылки
История
Страница из лекций Гамильтона по логике. Символизм A, E, I и O относятся к категориальным утверждениям, которые могут встречаться в силлогизме. В небольшом тексте слева ошибочно говорится: «Первое применение круговых диаграмм в логике, неправильно приписываемое Эйлеру. Можно найти в Кристиан Вайсе», книге, фактически написанной Иоганном Кристианом Ланге. Справа - страница 74 из Couturat 1914, в котором он помечает 8 областей диаграммы Венна. Современное название этих «регионов» - минтермс. Они показаны слева с переменными x, y и z на рисунке Венна. Символизм следующий: логическое И () представлено арифметическим умножением, а логическое НЕ (~) представлено знаком "'" после переменной, например область x'y'z читается как «НЕ x И НЕ y AND z», т.е. ~ x ~ y z. И диаграмма Вейча, и карта Карно показывают все минтермы, но Veitch не особенно полезен для сокращения формул. Обратите внимание на сильное сходство между диаграммами Венна и Карно; цвета и переменные x, y и z приведены для примера Венна.

Как показано на иллюстрации справа, сэр Уильям Гамильтон в своих посмертно опубликованных лекциях по метафизике и логике (1858–60).) ошибочно утверждает, что первоначальное использование кругов для «чувственного восприятия... абстракций логики» (стр. 180) было не Леонардом Полом Эйлером (1707–1783), а скорее Кристианом Вайзом (1642–1708) в его «Nucleus Logicae Weisianae», появившемся в 1712 году посмертно, однако последняя книга на самом деле была написана Иоганном Кристианом Ланге, а не Вайсе. Он ссылается на Письма Эйлера к немецкой принцессе [Partie II, Lettre XXXV, 17 февраля 1791 г., изд. Курно (1842), стр. 412-417. - Ред.]

В иллюстрации Гамильтона четыре категориальных предложения, которые могут встречаться в силлогизме, как это обозначено рисунками A, E, I и O:

  • A: универсальное утверждение, пример: «все металлы являются элементами».
  • E: универсальное отрицание, пример: «никакие металлы не являются сложными веществами».
  • I: частное утверждение, Пример: «Некоторые металлы хрупкие».
  • O: Особо отрицательный, Пример: «Некоторые металлы не хрупкие».

В главе V «Диаграммное представление» 1881 года, Джон Венн (1834–1923) комментирует поразительную распространенность диаграммы Эйлера:

«... первых шестидесяти логических трактатов, опубликованных в течение последнего столетия или около того, к которым с этой целью обращались: несколько случайно, поскольку они оказались наиболее доступными: оказалось, что тридцать четыре обратились за помощью к диаграммам, почти все они использовали схему Эйлера ». (Сноска 1, стр. 100)
Сочетание двух страниц 115–116 из книги Венна 1881, показывающей его пример того, как преобразовать силлогизм из трех частей в его тип диаграммы. Венн называет круги «кругами Эйлера» (ср. Sandifer 2003, Venn 1881: 114 и т.д.) в «схеме Эйлера» (Venn 1881: 100) «старомодных диаграмм Эйлера» (Venn 1881: 113).

Но тем не менее, он утверждал, что «неприменимость этой схемы для целей действительно общей логики» (стр. 100), и на стр. 101 заметил, что «она плохо согласуется, но плохо даже с четырьмя положениями общей логики, которым она соответствует. обычно применяется ". Венн заканчивает свою главу наблюдением, проиллюстрированным в приведенных ниже примерах - что их использование основано на практике и интуиции, а не на строгой алгоритмической практике:

«Фактически... эти диаграммы не только служат не вписываются в обычную схему предложений, которую они используют для иллюстрации, но, похоже, не имеют какой-либо признанной схемы предложений, к которой они могли бы быть последовательно связаны ». (стр. 124–125)

Наконец, в главе XX «ИСТОРИЧЕСКИЕ ЗАПИСИ» Венн обращается к решающей критике (выделенной курсивом в приведенной ниже цитате); обратите внимание на иллюстрацию Гамильтона, что О (Частное отрицание) и I (Частное Утверждение) просто вращаются:

«Теперь мы подходим к хорошо известным кругам Эйлера, которые были впервые описаны в его Lettres a une Princesse d'Allemagne (Письма 102 -105). Слабое место в них состоит в том, что они лишь четко иллюстрируют фактические отношения классов друг с другом, а не несовершенное знание этих отношений, которым мы можем обладать или хотим передать с помощью Следовательно, они не будут соответствовать положениям общей логики, но потребуют создания новой группы соответствующих элементарных предложений... Этот недостаток должен был быть замечен с самого начала в случае конкретных положительных и отрицательных суждений. ибо для обозначения их обоих обычно используется одна и та же диаграмма, что одинаково хорошо ". (курсив добавлен: стр. 424)

(Сандифер 2003 сообщает, что Эйлер тоже делает такие наблюдения; Эйлер сообщает, что его фигура 45 (простое пересечение двух кругов) имеет 4 различных интерпретации). В любом случае, вооруженный этими наблюдениями и критикой, Венн затем демонстрирует (стр. 100–125), как он извлек то, что стало известно как его диаграммы Венна, из «... старомодных диаграмм Эйлера. " В частности, он приводит пример, показанный слева.

К 1914 году Луи Кутюрат (1868–1914) обозначил термины, как показано на рисунке справа. Более того, он также пометил внешнюю область (обозначенную буквой «b'c»). Он кратко объясняет, как использовать диаграмму - нужно вычеркнуть те области, которые должны исчезнуть:

«Метод ВЕННА переведен в геометрические диаграммы, которые представляют все составляющие, так что для получения результата нам нужно только вычеркните (закрашиванием) те, которые исчезли из-за данных проблемы ". (курсив добавлен на стр. 73)

Учитывая присвоения Венна, незатененные области внутри кругов можно суммировать, чтобы получить следующее уравнение для примера Венна:

«Нет Y - это Z, а ВСЕ X - это Y: поэтому Нет X is Z "имеет уравнение x'yz '+ xyz' + x'y'z для незатененной области внутри кругов (но это не совсем правильно; см. Следующий абзац).

В Венне 0-й член, x'y'z ', т.е. фон, окружающий круги, не появляется. Нигде это не обсуждается и не упоминается, но Кутура исправляет это в своем рисунке. Правильное уравнение должно включать эту незатененную область, выделенную жирным шрифтом:

«Нет Y - Z, а ВСЕ X - Y: следовательно, X - Z» имеет уравнение x'yz '+ xyz' + x'y'z + x'y'z '.

В современном использовании диаграмма Венна включает в себя «прямоугольник», окружающий все круги; это называется универсумом дискурса или областью дискурса.

Кутура теперь замечает, что прямым алгоритмическим (формальным, систематическим) способом нельзя вывести сокращенные булевы уравнения, и показать, как прийти к выводу: «Нет X есть Z». Кутюрат пришел к выводу, что этот процесс "имеет... серьезные неудобства как метод решения логических проблем":

"Он не показывает, как данные отображаются путем исключения определенных составляющих, и не показывает, как объединить оставшиеся составляющие таким образом". Короче говоря, он служит только для демонстрации одного единственного шага в аргументации, а именно уравнения проблемы; он не обходится ни с одним предыдущими шагами, то есть с «преобразованием проблемы в уравнение» и преобразование посылок, ни с последующими шагами, т. е. комбинациями, которые приводят к различным последствиям. Следовательно, от него очень мало пользы, поскольку составляющие могут быть представлены алгебраическими символами точно так же, как и плоскими областями, и гораздо легче иметь дело в этой форме ». (стр. 75)

Таким образом, вопрос будет оставаться до 1952 года, когда Морис Карно (1924–) адаптирует и расширит метод, предложенный Эдвардом В. Вейч ; эта работа будет опираться на метод таблицы истинности, точно определенный в докторской диссертации Эмиля Поста 1921 года «Введение в общую теорию элементарных предложений» и применении логики высказываний к ( среди прочих) Клод Шеннон, Джордж Стибиц и Алан Тьюринг. Например, в главе «Булева алгебра» Хилл и Петерсон (1968, 1964) представляют разделы 4.5ff «Теория множеств как пример булевой алгебры», и в ней они представляют диаграмму Венна с затенением и всем остальным. Они приводят примеры диаграмм Венна для решения типовых задач коммутационной схемы, но в итоге приводят следующее утверждение:

«Для более чем трех переменных базовая иллюстративная форма диаграммы Венна неадекватна. Возможны расширения, однако, самые удобной из которых является карта Карно, которую мы обсудим в главе 6. " (стр. 64)

В главе 6, раздел 6.4 «Представление булевых функций картой Карно» они начинаются с:

«Карта Карно [Karnaugh 1953] - один из самых мощных инструментов в арсенале логики. дизайнер... Карту Карно можно рассматривать либо как наглядную форму таблицы истинности, либо как расширение диаграммы Венна ». (стр. 103–104)

История развития Карно своего метода «карты» или «карты» неясна. Карно в своем 1953 году ссылался на Вейча 1951, Вейтч ссылался на Клода Э. Шеннона 1938 (по сути, магистерскую диссертацию Шеннона в MIT ), а Шеннон, в свою очередь, ссылался, среди других авторов логических текстов, на Кутура. 1914. В методе Вейтча переменные располагаются в прямоугольнике или квадрате; как описано в карте Карно, Карно в своем методе изменил порядок переменных, чтобы они соответствовали тому, что стало известно как (вершины) гиперкуба.

Связь между диаграммами Эйлера и Венна
Примеры небольших диаграмм Венна (слева) с заштрихованными областями, представляющими пустые множества, показывающие, как их легко преобразовать в эквивалентные диаграммы Эйлера (справа)

диаграммы Венна - более ограниченная форма диаграмм Эйлера. Диаграмма Венна должна содержать все 2 логически возможные зоны перекрытия между ее n кривыми, представляющие все комбинации включения / исключения составляющих ее наборов. Области, не входящие в набор, обозначаются черным цветом, в отличие от диаграмм Эйлера, где принадлежность к набору обозначается как перекрытием, так и цветом. Когда количество наборов превышает 3, диаграмма Венна становится визуально сложной, особенно по сравнению с соответствующей диаграммой Эйлера. Разницу между диаграммами Эйлера и Венна можно увидеть в следующем примере. Возьмите три набора:

  • A = {1, 2, 5} {\ displaystyle A = \ {1, \, 2, \, 5 \}}A = \ {1, \, 2, \, 5 \}
  • B = {1, 6} {\ displaystyle B = \ {1, \, 6 \}}B = \ {1, \, 6 \}
  • C = {4, 7} {\ displaystyle C = \ {4, \, 7 \}}C=\{4,\,7\}

Диаграммы Эйлера и Венна этих множеств:

В логической обстановке можно использовать теоретико-модельную семантику для интерпретации диаграмм Эйлера в вселенной дискурса. В приведенных ниже примерах диаграмма Эйлера показывает, что множества Animal и Mineral не пересекаются, поскольку соответствующие кривые не пересекаются, а также что множество Four Legs является подмножеством множества Animals. Диаграмма Венна, в которой используются те же категории животных, минералов и четырех ног, не инкапсулирует эти отношения. Традиционно пустота множества на диаграммах Венна обозначается штриховкой в ​​области. Диаграммы Эйлера представляют пустоту либо штриховкой, либо отсутствием области.

Часто налагается набор условий корректности; это топологические или геометрические ограничения, накладываемые на структуру диаграммы. Например, может быть принудительно установлена ​​связность зон или может быть запрещено параллелизм кривых или нескольких точек, а также касательное пересечение кривых. На соседней диаграмме примеры небольших диаграмм Венна преобразованы в диаграммы Эйлера последовательностями преобразований; некоторые из промежуточных диаграмм имеют параллелизм кривых. Однако такое преобразование диаграммы Венна с штриховкой в ​​диаграмму Эйлера без штриховки не всегда возможно. Есть примеры диаграмм Эйлера с 9 наборами, которые невозможно нарисовать с помощью простых замкнутых кривых без создания нежелательных зон, поскольку они должны иметь неплоские двойственные графы.

Пример: диаграмма Эйлера-Венна и карта Карно

В этом примере показаны диаграммы Эйлера и Венна и карта Карно, выводящая и проверяющая вывод «Нет X - это Z». На иллюстрации и в таблице используются следующие логические символы:

  • 1 может быть прочитано как «истина», 0 как «ложь»
  • ~ для НЕ и сокращено до «при иллюстрации минтермов, например, x '= определено НЕ x,
  • + для логического ИЛИ (из Булевой алгебры : 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 1)
  • (логическое И) между предложениями; в mintems И опускается аналогично арифметическому умножению: например, x'y'z = определено ~ x ~ y z (Из булевой алгебры: 0 * 0 = 0, 0 * 1 = 1 * 0 = 0, 1 * 1 = 1, где * - показано для ясности)
  • → (логическое ПОСЛЕДСТВИЕ): читается как ЕСЛИ... ТОГДА... или "ПОДРАЗУМЕВАЕТСЯ", P → Q = определено НЕ P OR Q
Прежде чем его можно будет представить в диаграмме Венна или карте Карно, силлогизм диаграммы Эйлера «Нет Y есть Z, все X есть Y» должен быть сначала переформулирован на более формальный язык исчисления высказываний : «» Это не тот случай, когда: YAND Z 'AND' Если X, то Y '". Как только предложения сведены к символам и пропозициональной формуле (~ (y z) (x → y)), можно построить таблицу истинности формулы ; из этой таблицы легко получить карту Венна и / или Карно. Используя смежность «1» на карте Карно (обозначенную серыми овалами вокруг членов 0 и 1 и вокруг членов 2 и 6) можно «уменьшить» логическое уравнение примера, т.е. (x'y'z '+ x'y'z) + (x'yz' + xyz ') всего двумя членами: x'y' + yz '. Но средства для вывода понятия, что «X не является Z», и то, как сокращение связано с этим выводом, не вытекают из этого примера.

Учитывая предлагаемый вывод, такой как «Нет X не является Z», один может проверить, является ли это правильным выводом, используя таблицу истинности. Самый простой способ - поместить исходную формулу слева (обозначить ее сокращенно P) и поместить (возможное) выведение справа (обозначить сокращенно Q) и соединить их с помощью логической импликации, т.е. P → Q, читается как IF P THEN Q. Если вычисление таблицы истинности дает все единицы под знаком импликации (→, так называемая основная связка), то P → Q является тавтологией. Учитывая этот факт, можно «отделить» формулу справа (сокращенно Q) способом, описанным под таблицей истинности.

В приведенном выше примере формула для диаграмм Эйлера и Венна следующая:

«Нет Y - это Z» и «Все X - это Y»: (~ (y z) (x → y)) = определено P

И предлагаемый вывод:

«Никакие X не являются Z»: (~ (x z)) = определено Q

Итак, теперь формула для вычисления может будет сокращено до:

(~ (y z) (x → y)) → (~ (x z)): P → Q
IF («Нет Y являются Z» и « Все X есть Y ") THEN (" Xs не Z ")
Таблица истинности демонстрирует, что формула (~ (y z) (x → y)) → (~ (x z)) является тавтология, как показано всеми единицами в желтом столбце.
Квадрат #Венн, регион Карноxyz(~(yz)(xy))(~(xz))
0x'y'z '0001000101011000
1x'y'z0011001101011001
2x'yz'0101100101111000
3x'yz0110111001111001
4xy'z '1001000010011100
5xy'z1011001010010111
6xyz '1101100111111100
7xyz1110111011110111

В этот момент указанная выше импликация P → Q (т.е. ~ (y z) (x → y)) → ~ (x z)) все еще формула, и дедукция - «отделение» Q от P → Q - не произошло. Но, учитывая демонстрацию того, что P → Q является тавтологией, теперь все готово для использования процедуры modus ponens, чтобы «отделить» Q: «Никакие X не являются Z» и обойтись без терминов на слева.

Modus ponens (или «фундаментальное правило вывода») часто записывается следующим образом: два термина слева, P → Q и P, называются предпосылками (по соглашению, соединяются запятой), символ ⊢ означает «уступает» (в смысле логической дедукции), а термин справа называется заключением:

P → Q, P ⊢ Q

Для успеха modus ponens обе посылки P → Q и P должны быть истинными. Поскольку, как показано выше, посылка P → Q является тавтологией, «истина» всегда имеет место, независимо от того, как оцениваются x, y и z, но «истина» имеет место только для P в тех обстоятельствах, когда P оценивается как « истина "(например, строки 0ИЛИ 1ИЛИ 2ИЛИ 6: x'y'z '+ x'y'z + x'yz' + xyz '= x'y' + yz ').

P → Q, P ⊢ Q
  • то есть: (~ (y z) (x → y)) → (~ (x z)), (~ (y z) (x → y)) ⊢ (~ (x z))
  • т.е.: ЕСЛИ «Нет Y являются Z» и «Все X являются Y», ТО «Нет X - это Z», «Нет Y не являются Zs »и« All Xs are Ys »⊢« Xs are Zs »

Теперь можно« отделить »вывод« Нет Xs are Zs », возможно, чтобы использовать его в последующем выводе (или в качестве темы разговор).

Использование тавтологической импликации означает, что существуют и другие возможные дедукции, кроме «Нет X есть Z»; критерием успешного вывода является то, что единицы под основной связкой справа включают все единицы под основной связкой слева (основная связка - это импликация, которая приводит к тавтологии). Например, в таблице истинности с правой стороны импликации (→, главный соединительный символ) в столбце, выделенном жирным шрифтом под второстепенным соединительным символом «~ », все те же единицы которые отображаются в столбце, выделенном жирным шрифтом, под основной левой связкой и (строки 0, 1, 2и 6), плюс еще два (строки 3и 4).

Галерея
Интерактивная диаграмма Эйлера, показывающая отношения между различными многонациональными европейскими организациями и соглашения.
  • v
  • t

........

См. также
  • Паук-диаграмма - расширение диаграмм Эйлера, добавляющее существование пересечений контуров.
Примечания
Ссылки
Дополнительная литература

По дате публикации:

Внешние ссылки
На Викискладе есть материалы, связанные с диаграммами Эйлера.
Последняя правка сделана 2021-05-19 06:32:11
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте