논리 연산
1. 개요
불 대수(Boolean algebra)는 19세기 중반 영국의 수학자 조지 불(George Boole, 1815년 11월 2일 ~ 1864년 12월 8일)이 고안하고 형식화한 대수 체계를 의미한다.
논리 연산(logical operation, logical connective)으로도 불린다. 수리 논리학이나 컴퓨터공학과에서, 두 개의 상태인 참(1, T, True)과 거짓(0, F, False)으로 불 연산(Boolean expression)이라 한다. 불 대수의 출현 이후로 논리학은 기호논리학의 성향이 강해지기 시작한다.
프로그래밍에서는 조건에 의한 분기나 반복을 만드는 데 이용되고, 디지털 논리 회로를 배울 때 유용하게 사용된다. 디지털 회로의 신호는 0과 1로만 구성되어 있기 때문이다. 전자계통에선 논리 연산을 하는 소자를 게이트(Gate)라고 하며 트랜지스터 여러 개를 조합해서 만들 수 있다.
이산수학에서는 속(Lattice) 중 Complementary Lattice이며 Distributive Lattice인 Lattice를 불 속(Boolean Lattice)이라 하며 이를 대수(Algebra)식으로 나타낸 것을 불 대수(Boolean Algebra)라고 한다. 불 속의 원소 개수는 해당 원자(atom) 개수 n에 대해 2n개이다. 즉, 불 속의 원소 개수는 2의 제곱수대로 올라간다고 보면 된다.
집합 기호는 고안자의 이름을 따서 $$\mathbb B$$로 표현한다.[4] 아래의 연산과 함께 환을 이룬다.
2. 논리 연산의 종류
시작하기 앞서, 처음 보는 연산의 경우 진리표(Truth Table)를 사용하면 비교적 단순한 연산의 결과는 직접 확인할 수 있다. 다만 변수의 개수가 늘어나면 확인해야 하는 값이 대폭 증가하기 때문에, 기초적인 이해를 돕는 이상의 활용은 어렵다. 아래의 진리표를 보자.
2.1. 부정 (NOT; ¬)
말 그대로 부정(否定)이다. 즉, 참과 거짓을 뒤집는다. C언어의 영향을 받은 프로그래밍 언어에서는 일반적으로 !를 부정 연산자로 사용하며, 그 외에 ~A도 많은 프로그래밍 언어에서 사용되며, 필기나 서적 등에서는 A' [6]또는 A 위에 ㅡ를 그려넣은 $$\bar{A} $$ 기호가 주로 쓰인다. 불 보수(Boolean Complement)로도 불린다. 이 연산을 하는 회로는 따로 보수기(inverter)라는 이름으로 불린다.
2.2. 논리곱 (AND; &)
두 명제가 모두 참이어야 참값을 돌려준다. C언어의 영향을 받은 프로그래밍 언어에서는 일반적으로 &를 논리곱 연산자로 사용하며, 불 대수에서는 AND는 곱셈과 동치이다. 불 곱(Boolean Multiplication) 혹은 논리곱이라 부른다. 아래의 연산결과를 보면 왜 곱셈과 동치인지 쉽게 알 수 있을 것이다. AB[7] 또는 A·B[8]로 표시한다.
2.3. 논리합 (OR; ∨)
두 명제 중 어느 한 명제만 참이어도 참값을 돌려준다. C언어의 영향을 받은 프로그래밍 언어에서는 일반적으로 |를 논리합 연산자로 사용한다. 불 대수에서는 OR는 덧셈과 동치여서, 논리합(Boolean Addition)으로 부른다. 아래에서 보듯 '''1 + 1 = 1''' 임을 주의해야 한다. A+B[9]로 표시한다.
2.4. 부정 논리곱 (NAND; ↑)
'''N'''ot '''AND'''. 논리곱의 결과값을 부정한 것이다. 즉, 두 명제가 모두 참이면 거짓값을 돌려주고 그 외에는 참값을 돌려준다. 참고로 NAND만을 통해 다른 논리 연산식을 모조리 구현할 수 있기 때문에 현재 사용되는 플래시 메모리들은 대부분이 NAND 회로로 구성되어 있다.
2.5. 부정 논리합 (NOR; ↓)
'''N'''ot '''OR'''. 논리합의 결과값을 부정한 것이다. 즉, 두 명제가 모두 거짓이면 참값을 돌려주고 그 외에는 거짓값을 돌려준다. NAND와 마찬가지로 NOR만으로 다른 논리 연산식을 모조리 구현할수 있기에 초기 플래시 메모리들은 대부분이 NOR 회로로 구성하였다. 근데 NAND 회로가 값이 싸다보니 이쪽은 자연스럽게 도태되었다.
2.6. 배타적 논리합 (XOR; ⊕)
두 명제 중 정확히 하나만 참이어야, 혹은 두 명제의 참거짓 여부가 다를 때 참값을 돌려준다. A'B+AB'[10]와 동치이다. C언어의 영향을 받은 프로그래밍 언어에서는 ^를 배타적 논리합 기호로 사용한다. 다만 일반적인 경우에는 ^가 제곱으로 사용되기 때문에 처음 프로그래밍 언어를 배우는 사람들은 제곱을 하려고 ^ 기호를 사용했다가 안드로메다로 가는 경우가 있다.(…)[11][12] 이 방식으로 특정 '키'를 이용해 암호화를 하면 그 '키'로 복호화가 가능해서, 암호화 기법으로도 널리 사용된다. 비교 대상의 비트가 0이든 1이든 상관 없이 같기만 하면 0을 돌려준다는 특성을 이용하여 어셈블리어 등의 언어에서 어떤 레지스터나 변수를 0으로 초기화할 때 사용되기도 한다.[13] 이런 특성때문에 XOR을 이용해 임시변수 없이 변수를 스왑하는 기법[14]은 메모리사용량에서야 좀 이득을 보겠지만 실제론 거의 사용되지 않는다. 스왑하는 값이 같은 주소를 참조한다면 엉망이 되기 때문.
결합법칙이 성립하므로 n항연산으로 일반화 가능하다. 이 경우 n개의 입력중 참의 개수가 홀수이면 출력이 참이 되는 연산으로 정의된다.
2.7. 동치 (EQV; =)
두 명제가 다 참이거나 다 거짓이면, 즉 두 명제의 진리값이 같으면 참값을 돌려준다. 배타적 논리합(XOR)의 부정이라고 할 수 있으므로 배타적 부정 논리합 (XNOR) 또는 배타적 논리곱이라고도 한다. 수학적으로는 크로네커 델타($$\delta_{ij} = \left\{\begin{matrix} 0 \; \; \; \text{if} \; \; \; i \neq j \\ 1 \; \; \; \text{if} \; \; \; i = j \end{matrix}\right.$$)로 정의돼 있다. C언어 및 그 파생 언어에서 '='는 대입(:=)을 의미하므로 동치 연산자를 '=='로 표기한다. (A⊕B)'=(AB)와 동치이다. XOR과 달리 결합법칙이 성립하지 않는다.
3. 성질[15]
3.1. 항등원(identity)
3.2. 교환법칙 / 결합법칙 / 분배법칙[16]
산수랑 '''거의''' 똑같다. 다만 여기서 주의할 점은 분배 법칙에서 A+(B·C)=(A+B)·(A+C)가 된다는 것이다. 드모르간의 법칙 하단의 설명을 보면 쉽게 이해할 수 있다. 또한 NXOR을 포함하여 NAND, NOR 등 모든 부정 연산은 결합법칙이 성립하지 않는다.
3.3. 동일법칙(idempotent)[17]
계산하려는 두 숫자가 똑같으면 결과도 그 똑같은 값이 나온다는 뜻이다. A에 0을 대입했을 때도 성립하고 1을 대입했을 때도 성립하는 것으로 해당 성질을 증명할 수 있다.
3.4. 흡수법칙(absorption)
전기 회로에서 곱연산을 직렬로, 합연산을 병렬로 생각해보면 이해가 쉽다. 아래 식에서 B는 A와 병렬이라서 B가 끊어졌어도 A가 이어져 있으면 그대로 전기가 흐르기 때문에 사실상 B는 없는 것이나 다름없고, A를 직렬로 두 개 단 것과 똑같기 때문에 식이 저렇게 A로 흡수되는 것이다.
수학적 증명은
위 식의 증명은 위의 증명에서 3번째 줄부터 같다.
3.5. 이중부정 법칙(involution)
3.6. 드모르간 법칙(De Morgan law)
식을 깔끔하게 정리할 때 가장 많이 사용되는데다가 NAND 연산, NOR 연산과 밀접한 연관이 있는 만큼 불 대수에서 상당히 중요하게 다뤄지는 성질이다. 오죽하면 대부분 교재에서 이 법칙 하나만 불 대수 파트에서 분리해서 따로 가르칠 정도.
사실 머리를 좀 굴려보면 AND와 OR은 같은 구조의 함수지만(항등원끼리 연산하면 항등원, 나머지 경우는 항등원이 아닌 것) AND는 항등원이 1(=0')이고 OR은 항등원이 0(=1')일 뿐이라는 걸 알 수 있는데, 다시 말해 NOT은 ({0 , 1}, AND)에서 ({0, 1}, OR)로 가는 Isomorphism이다. 이중 부정규칙을 이용하면 동시에 NOT은 ({0 , 1}, OR)에서 ({0, 1}, AND)로 가는 Isomorphism이므로 결론적으로 NOT은 ({0 , 1}, AND, OR)에서 ({0, 1}, OR, AND)로 가는(연산이 서로 바뀌었다) Isomorphism이다.
이걸 이용해 드모르간 법칙을 쉽게 증명할 수 있을 뿐만 아니라 성질 항목에 나와있는 한쌍의 공식이 서로를 유도할 수 있다는 걸 쉽게 보일 수 있다.
3.7. 합의(Consensus) 법칙
자세히 보면 가운데 마디가 사라진 것을 볼 수 있다.
위 식의 증명은
을 이용해서
아래식도 비슷하다.
3.8. 그 밖의 연산 법칙
마지막 식의 증명
그 위의 식도 비슷하다.
4. 연산 우선 순위
대수학에서 곱셈 연산이 덧셈 연산보다 우선이듯이, 논리 연산에서도 논리곱(AND)이 논리합(OR) 보다 연산 순위가 높다.
분배법칙의 아래 두 식 중에 첫 번째 식의 우변에는 괄호가 없다. 이는 AND가 OR보다 연산 우선 순위가 높기 때문이다. 괄호가 생략된 것이라 보아도 되는데 A·B와 A·C에 대한 괄호의 존재 여부는 우변의 결과에 영향을 미치지 않는다.
A·(B+C)=(A·B)+(A·C)=A·B+A·C
그리고 부정(NOT) 연산은 AND와 OR보다 연산 우선 순위가 높다.
결국 NOT > AND > OR의 연산 순서가 되겠다.
5. 관련 문서
- 마인크래프트/레드스톤 : 본격 게임속 논리 연산 시뮬레이터, 누군가 아예 컴퓨터도 만들었다.
- Oxygen Not Included/시설/자동화(Automation): NOT, AND, OR은 기본, 용도에 따라 온갖 논리연산자를 이용해야한다.
- 논리 회로(logic circuit)
- 논리학 관련 정보
[1] 공리(axiom) 내지 전제(postulation)이라고도 부른다.[2] 영어로 각각 commutatitve, associative, distributive이다.[3] 멱등(冪等)법칙이라고도 한다.[4] 원소가 두 개('''B'''inary)뿐인 집합이라는 의미도 함의하고 있다.[5] 혹은 결괏값.[6] 프라임이라 읽는다. 미분 기호로도 쓰인다.[7] 주의하자면 '''곱셈이 절대로 아니다'''! A '''and''' B.[8] A 논리곱 B. [9] A '''or''' B[10] ((not A) and B) or (A and (not B)) [11] C언어에서 제곱은 math.h라는 헤더 파일을 include(포함)하고(#include <math.h>), pow(밑, 지수) 함수를 사용하면 가능하다.[12] PHP 5.6 이상이나 Python 등의 언어에서는 또 **로 지수를 표현하는 것이 가능하다.[13] 예를 들어, AX라는 레지스터를 0으로 초기화 할 땐 MOV AX,0을 써도 되지만 XOR AX,AX를 해도 된다는 의미이다. AX에 뭔 값이 들어있는지는 알 수 없지만, 같은 것끼지 연산시키면 무조건 0을 반환하는 XOR의 특성 상 해당 연산의 결과는 AX의 원래 값과는 상관 없이 항상 0이 된다.[14] A=A⊕B; B=A⊕B; A=A⊕B[15] 공리(axiom) 내지 전제(postulation)이라고도 부른다.[16] 영어로 각각 commutatitve, associative, distributive이다.[17] 멱등(冪等)법칙이라고도 한다.