최근 수정 시각 : 2018-06-01 07:01:01

논리 연산

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1. 개요2. 논리 연산의 종류
2.1. 부정 (NOT; ¬)2.2. 논리곱 (AND; ∧)2.3. 논리합 (OR; ∨)2.4. 부정 논리곱 (NAND; ↑)2.5. 부정 논리합 (NOR; ↓)2.6. 배타적 논리합 (XOR; ⊕)2.7. 동치 (EQV; =)
3. 성질
3.1. 교환 / 결합 / 분배 법칙3.2. 동일 법칙3.3. 항등원3.4. 흡수 법칙3.5. 이중부정 법칙3.6. 드모르간 법칙3.7. 합의(Consensus) 법칙3.8. 그 밖의 연산 법칙
4. 연산 우선 순위5. 관련 문서

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. 참고로 백괴사전에서는 이 불 대수를 불(火) 대수로 해석해서 불 붙은 물건의 성질을 다루는 대수로 묘사했다(...) 링크. 불 대수의 출현 이후로 논리학기호논리학의 성향이 강해지기 시작한다.

프로그래밍에서는 조건에 의한 분기나 반복을 만드는 데 이용되고, 디지털 논리회로를 배울 때 유용하게 사용된다. 디지털 회로의 신호는 0과 1로 구성되어 있기 때문이다. 전자계통에선 논리 연산을 하는 소자를 게이트(Gate)라고 하며 트랜지스터 여러 개를 조합해서 만들 수 있다.

전자과의 경우에는 플로트 상태니 3-state니 하는 용어를 볼 기회가 있을 텐데 이 상태는 '비결정'상태라고 해서 0도 1도 아닌 상태를 말한다. 컴퓨터공학에서는 이런 상태를 다루지 않기 때문에 2비트 논리회로(00: False, 01, 10: Float, 11: True)를 써야 하므로 전자과가 회로도 짤 때 디지털 회로에 이런 값이 들어가지 않게 주의할 것.

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.

고등학생 때 집합과 명제 파트를 쉽게 풀었던 사람들은 이해하기가 쉬워서 대부분 여기를 대충대충 넘어가지만, 후반부에 나오는 최대항, 최소항, 그리고 카르노맵을 접하기 시작하면 본격적으로 멘탈에 금이 가기 시작한다.

2. 논리 연산의 종류

들어가기 앞서 아래 결과가 이해가 안된다면 진리표(Truth Table)를 만들어서 확인해 볼수도 있다.. 만 변수(0또는 1)가 4개만 돼도 단순히 AND 만 확인해 보려고 해도 16개나 확인해 봐야 한다. 아래가 진리표다. 쉽게 말해 집합의 연산법칙에서 합집합을 +로, 교집합을 ·, 공집합을 0, 전체집합을 1, 여집합을 '으로 바꾸었다고 생각하면 편하다.[1]
A ∧ B (AND)
A B 결과값
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

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' [2]또는 A 위에 ㅡ를 그려넣은 A¯\bar{A} 기호가 주로 쓰인다. 불 보수(Boolean Complement)로도 불린다.
NOT 연산 결과
입력값 결과값
0 1
1 0

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)이라 부른다. 아래의 연산결과를 보면 왜 곱셈과 동치인지 쉽게 알 수 있을 것이다. AB[3] 또는 A·B로 표시한다.
AND 연산 결과
입력값 결과값
0 , 0 0
0 , 1 0
1 , 0 0
1 , 1 1

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+B로 표시한다.
OR 연산 결과
입력값 결과값
0 , 0 0
0 , 1 1
1 , 0 1
1 , 1 1

2.4. 부정 논리곱 (NAND; ↑)

Not 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.
NAND 연산 결과
입력값 결과값
0 , 0 1
0 , 1 1
1 , 0 1
1 , 1 0

2.5. 부정 논리합 (NOR; ↓)

NOT 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 안 쓰게 됐다.
NOR 연산 결과
입력값 결과값
0 , 0 1
0 , 1 0
1 , 0 0
1 , 1 0

2.6. 배타적 논리합 (XOR; ⊕)

두 명제 중 정확히 하나만 참이어야, 혹은 두 명제의 참거짓 여부가 다를 때 참값을 돌려준다. 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.(…)[4][5] 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.[6]
XOR 연산 결과
입력값 결과값
0 , 0 0
0 , 1 1
1 , 0 1
1 , 1 0

2.7. 동치 (EQV; =)

두 명제가 다 참이거나 다 거짓이면, 혹은 두 명제의 참거짓 값이 같으면 참값을 돌려준다. 배타적 부정 논리합 (XNOR) 또는 배타적 논리곱이라고도 한다. 수학적으로는 크로네커 델타(δij={0ifij1ifi=j\delta_{ij} = \left\{\begin{matrix} 0 \; \; \; \text{if} \; \; \; i \neq j \\ 1 \; \; \; \text{if} \; \; \; i = j \end{matrix}\right.)로 정의돼 있다. 프로그래밍에선 =는 대입을 의미하므로 =를 두개 사용해 ==로 동치를 계산한다.
EQV 연산 결과
입력값 결과값
0 , 0 1
0 , 1 0
1 , 0 0
1 , 1 1

3. 성질

3.1. 교환 / 결합 / 분배 법칙

A+B=B+A
A·B=B·A
(A+B)+C=A+(B+C)
(A·B)·C=A·(B·C)
A·(B+C)=A·B+A·C
A+(B·C)=(A+B)·(A+C)

산수랑 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.

3.2. 동일 법칙

A·A = A
A + A = A

계산하려는 두 숫자가 똑같으면 결과도 그 똑같은 값이 나온다는 뜻이다.

3.3. 항등원

A·1 = A = 1·A
A+0 = A = 0+A

3.4. 흡수 법칙

A+A·B=A
A·(A+B)=A

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
A·(A+B)
A·A + A·B (∵분배법칙)
A + A·B (∵동일법칙 A·A = A)
A·1 + A·B (∵항등원 A·1 = A)
A·(1 + B) (∵분배법칙)
A·1 (∵ B + 1 = 1)
A (∵항등원 A·1 = A)
위 식의 증명은 위의 증명에서 3번째 줄부터 같다.

3.5. 이중부정 법칙

(A')' = A

3.6. 드모르간 법칙

(A·B)'=A'+B'
(A+B)'=A'·B'

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(항등원끼리연산하면 항등원, 나머지경우는 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

AB + BC + CA' = AB + CA'
(A + B)(B + C)(C + A') = (A + B)(C + A')

자세히 보면 가운데 마디가 사라진 것을 볼 수 있다.

위 식의 증명은
BC
1·BC (∵항등원 A·1 = A)
(A+A')·BC (∵A·A' = 1)
ABC + A'BC (∵분배법칙)
ABC + CA'B (∵교환법칙)
을 이용해서
AB + BC + CA'
AB + ABC + CA'B + CA'
(AB + AB·C) + (CA'·B + CA') (∵결합법칙)
(AB + AB·C) + (CA' + CA'·B) (∵교환법칙)
AB + CA' (∵흡수법칙 A+A·B=A)
아래식도 비슷하다.

3.8. 그 밖의 연산 법칙

A + A' = 1
A·A' = 0
A+1=1
A·0 = 0
A+A'·B=A+B
A·(A'+B)=A·B

마지막 식의 증명
A·(A'+B)
A·A' + A·B (∵분배법칙)
0 + A·B (∵ A·A' = 0)
A·B (∵항등원 0+A = A)
그 위의 식도 비슷하다.

4. 연산 우선 순위

대수학에서 곱셈 연산이 덧셈 연산 보다 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·C)=(A+B)·(A+C)

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. 그 외의 논리 연산의 우선 순위에 대해서는 추가 바람

5. 관련 문서




[1] 정보 교과서에서는 이런식이 아니고 수학마냥 표기해놓아서 이해하기 어렵게 되어있다.[2] 프라임이라 읽는다. 미분 기호로도 쓰인다.[3] 주의하자면 곱셈이 절대로 아니다![4] C언어에서 제곱은 math.h를 include하고 pow(밑, 지수) 함수를 사용하면 가능하다.[5] PHP 5.6 이상이나 Python 등의 언어에서는 또 **로 지수를 표현하는 것이 가능하다.[6] 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.