Algèbre de Boole | Sciences de l'Ingénieur

Informations du Cours

ALGÈBRE DE BOOLE
Sciences de l'Ingénieur - Logique Combinatoire

Niveau 1ère - Transfert de l'information et logique

Niveau
1ère
Matière
Sciences de l'Ingénieur
Chapitre
Logique Combinatoire
Section
Algèbre de Boole

Introduction à l'Algèbre de Boole

Historique et Concepts Fondamentaux

HISTORIQUE
Origines

L'algèbre de Boole a été introduite en 1847 par George Boole, un mathématicien britannique. Cette algèbre permet de traiter les propositions logiques en attribuant des valeurs binaires (0 ou 1) aux variables.

Concepts Fondamentaux :
Variables Booléennes
  • 1 Une variable booléenne ne peut prendre que deux valeurs : 0 (faux) ou 1 (vrai)
  • 2 On note souvent A, B, C... les variables booléennes
  • 3 L'état complémentaire d'une variable A est noté Ā (A barre)
A
→
S

Opérations Logiques de Base

Les Trois Opérations de Base

OPÉRATION NON (NOT)
Symbole et Notation
A
NOT
→
S = Ā

L'opération NOT inverse la valeur de la variable : si A = 0 alors S = 1, si A = 1 alors S = 0.

TABLE DE VÉRITÉ
A S = Ā
0 1
1 0
S = Ā (A barre)

Opération ET (AND)

Fonctionnement de l'Opération ET

SYMBOLE ET NOTATION
Symbole de l'Opération ET
A
AND
B
→
S

Notation : S = A.B ou S = A AND B

L'opération AND produit 1 seulement si toutes les entrées sont à 1.

TABLE DE VÉRITÉ
A B S = A.B
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
S = A.B (A ET B)

Opération OU (OR)

Fonctionnement de l'Opération OU

SYMBOLE ET NOTATION
Symbole de l'Opération OU
A
OR
B
→
S

Notation : S = A+B ou S = A OR B

L'opération OR produit 1 si au moins une des entrées est à 1.

TABLE DE VÉRITÉ
A B S = A+B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
S = A+B (A OU B)

Lois de l'Algèbre de Boole

Principes Fondamentaux

LOIS DE BASE
Identités
  • 1 A + 0 = A
  • 2 A . 1 = A
  • 3 A + 1 = 1
  • 4 A . 0 = 0
Idempotence
  • 1 A + A = A
  • 2 A . A = A
Involution
  • 1 Ā = A (double négation)

Lois de Commutativité

Propriétés de Commutativité

COMMUTATIVITÉ
Opération ET
A . B = B . A

L'ordre des opérandes n'affecte pas le résultat de l'opération ET.

Opération OU
A + B = B + A

L'ordre des opérandes n'affecte pas le résultat de l'opération OU.

APPLICATION PRATIQUE
Exemples
  • 1 A.B.C = C.B.A (commutativité de l'opération ET)
  • 2 A+B+C = C+B+A (commutativité de l'opération OU)

Lois de Distributivité

Propriétés de Distributivité

DISTRIBUTIVITÉ DE L'OPÉRATION ET SUR L'OPÉRATION OU
Première loi de distributivité
A . (B + C) = (A . B) + (A . C)

L'opération ET est distributive par rapport à l'opération OU.

DISTRIBUTIVITÉ DE L'OPÉRATION OU SUR L'OPÉRATION ET
Seconde loi de distributivité
A + (B . C) = (A + B) . (A + C)

L'opération OU est distributive par rapport à l'opération ET.

EXEMPLE D'APPLICATION
Simplification d'expression

Soit l'expression : A . (A + B)

En appliquant la distributivité : A . (A + B) = (A . A) + (A . B) = A + (A . B)

On peut encore simplifier : A + (A . B) = A (absorption)

Lois de Morgan

Principe Fondamental

LOIS DE MORGAN
Première loi de Morgan
(A + B)̄ = Ā . B̄

L'inverse d'une somme logique est égal au produit logique des inverses.

Seconde loi de Morgan
(A . B)̄ = Ā + B̄

L'inverse d'un produit logique est égal à la somme logique des inverses.

APPLICATION PRATIQUE
Utilité des lois de Morgan
  • 1 Simplification d'expressions logiques
  • 2 Transformation de circuits logiques
  • 3 Optimisation de circuits
  • 4 Réduction du nombre de portes

Loi d'Absorption

Propriétés d'Absorption

LOIS D'ABSORPTION
Première loi d'absorption
A + (A . B) = A

La somme d'une variable et de son produit avec une autre variable est égale à la variable elle-même.

Seconde loi d'absorption
A . (A + B) = A

Le produit d'une variable et de sa somme avec une autre variable est égal à la variable elle-même.

DÉMONSTRATION
Preuve de la première loi

A + (A . B) = A . 1 + A . B (car A = A . 1)

= A . (1 + B) (par distributivité)

= A . 1 (car 1 + B = 1)

= A

Tables de Vérité

Représentation des Fonctions Logiques

DÉFINITION
Qu'est-ce qu'une table de vérité ?

Une table de vérité est un tableau qui montre toutes les combinaisons possibles des variables d'entrée et la valeur correspondante de la fonction de sortie.

Pour n variables d'entrée, la table contient 2^n lignes.

EXEMPLE À TROIS VARIABLES
Table de vérité pour S = A.B + C
A B C A.B S = A.B + C
0 0 0 0 0
0 0 1 0 1
0 1 0 0 0
0 1 1 0 1
1 0 0 0 0
1 0 1 0 1
1 1 0 1 1
1 1 1 1 1

Formes Canoniques

Somme de Produits et Produit de Sommes

FORME CANONIQUE DISJONCTIVE (SOMME DE PRODUITS)
Définition

La forme canonique disjonctive (ou forme normale disjonctive) est une somme de termes produits, où chaque terme produit contient toutes les variables.

Chaque terme produit correspond à une ligne de la table de vérité où la fonction vaut 1.

FORME CANONIQUE CONJOINTE (PRODUIT DE SOMMES)
Définition

La forme canonique conjointive (ou forme normale conjonctive) est un produit de termes sommes, où chaque terme somme contient toutes les variables.

Chaque terme somme correspond à une ligne de la table de vérité où la fonction vaut 0.

Ces formes sont utiles pour la synthèse des circuits logiques

Exemple d'Application

Simplification d'Expression

PROBLÈME À RÉSOUDRE
Simplifier l'expression : S = A.B + A.Ā + B.Ā

Étape 1 : Appliquer la loi A.Ā = 0

S = A.B + 0 + B.Ā = A.B + B.Ā

Étape 2 : Factoriser B

S = B.(A + Ā)

Étape 3 : Appliquer la loi A + Ā = 1

S = B.1 = B

VÉRIFICATION PAR TABLE DE VÉRITÉ
Comparaison des expressions
A B Ā A.B A.Ā B.Ā S = A.B + A.Ā + B.Ā S = B
0 0 1 0 0 0 0 0
0 1 1 0 0 1 1 1
1 0 0 0 0 0 0 0
1 1 0 1 0 0 1 1

Exercice 1 : Analyse d'Expression

Problème à Résoudre

ÉNONCÉ
Expression Logique

Soit l'expression logique : S = A.B + A.C + B.C

1. Donnez la table de vérité de cette expression.

2. Simplifiez l'expression en utilisant les lois de l'algèbre de Boole.

3. Dessinez le circuit logique correspondant à l'expression simplifiée.

Solution Exercice 1

Correction Détaillée

TABLE DE VÉRITÉ
Calcul de S = A.B + A.C + B.C
A B C A.B A.C B.C S
0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0
0 1 0 0 0 0 0
0 1 1 0 0 1 1
1 0 0 0 0 0 0
1 0 1 0 1 0 1
1 1 0 1 0 0 1
1 1 1 1 1 1 1
SIMPLIFICATION
Simplification de S = A.B + A.C + B.C

Ajoutons A.B.C + A.B.C = A.B.C (car A.B.C + A.B.C = A.B.C)

S = A.B + A.C + B.C

= A.B.(C + C̄) + A.C.(B + B̄) + B.C.(A + Ā)

= A.B.C + A.B.C̄ + A.B.C + A.B̄.C + A.B.C + Ā.B.C

= A.B.C + A.B.C̄ + A.B̄.C + Ā.B.C

= A.B.C + A.B.C̄ + A.B̄.C + Ā.B.C

= A.B + A.C + B.C (cette expression ne se simplifie pas davantage)

Exercice 2 : Synthèse de Circuit

Problème de Synthèse

ÉNONCÉ
Table de Vérité

Soit la fonction logique S définie par la table de vérité suivante :

A B C S
0 0 0 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1

1. Donnez la forme canonique disjonctive de S.

2. Simplifiez l'expression obtenue.

3. Dessinez le circuit logique correspondant.

Solution Exercice 2

Correction Détaillée

FORME CANONIQUE DISJONCTIVE
Identification des lignes où S = 1
  • 1 Ligne 2 : A=0, B=0, C=1 → Ā.B̄.C
  • 2 Ligne 4 : A=0, B=1, C=1 → Ā.B.C
  • 3 Ligne 6 : A=1, B=0, C=1 → A.B̄.C
  • 4 Ligne 7 : A=1, B=1, C=0 → A.B.C̄
  • 5 Ligne 8 : A=1, B=1, C=1 → A.B.C
EXPRESSION LOGIQUE
Forme canonique disjonctive
S = Ā.B̄.C + Ā.B.C + A.B̄.C + A.B.C̄ + A.B.C

On peut regrouper certains termes :

S = Ā.C.(B̄ + B) + A.C.(B̄ + B) + A.B.C̄
S = Ā.C.1 + A.C.1 + A.B.C̄ = Ā.C + A.C + A.B.C̄
S = C.(Ā + A) + A.B.C̄ = C.1 + A.B.C̄ = C + A.B.C̄
S = C + A.B (puisque C + A.B.C̄ = C + A.B)

Applications Pratiques

Domaines d'Application

CIRCUITS LOGIQUES DANS L'INGÉNIERIE
Domaines d'utilisation
  • 1 Informatique (processeurs, mémoires)
  • 2 Électronique numérique
  • 3 Automatismes industriels
  • 4 Télécommunications
  • 5 Systèmes embarqués
EXEMPLES CONCRETS
Applications réelles
  • 1 Détecteur de passage (porte AND)
  • 2 Alarme de sécurité (porte OR)
  • 3 Contrôle d'accès (porte XOR)
  • 4 Systèmes de vote (portes complexes)

Résumé

Points Clés

OPÉRATIONS LOGIQUES DE BASE
Types d'opérations
  • NOT : inversion logique (A → Ā)
  • AND : conjonction logique (A, B → A.B)
  • OR : disjonction logique (A, B → A+B)
LOIS DE L'ALGÈBRE DE BOOLE
Principales lois
  • Lois de base (identités, idempotence, involution)
  • Lois de commutativité
  • Lois de distributivité
  • Lois de Morgan
  • Lois d'absorption
Maîtrisez ces concepts pour concevoir des circuits logiques efficaces !

Conclusion

Félicitations !

FÉLICITATIONS !
MAÎTRISE DE L'ALGÈBRE DE BOOLE
Vous comprenez maintenant l'algèbre de Boole !

Continuez à pratiquer pour renforcer vos compétences

Compris
Retenu
Appliqué