Daten verwalten (2) Agenda für heute, 29. April 2009 Logische Verknüpfungen als Grundlage für die Informationsgewinnung Werte von Aussagen: Wahrheitstabellen Grafische vs. formale Darstellung von Abfragen Boolesche Algebra

Daten verwalten (2): Drei Stufen der Datenverwaltung Anwendung Informatik Daten organisieren Daten speichern Entity-Relationship-Modell Datenbanken Daten wieder gewinnen Daten reorganisieren Abfragen (z.B. mit SQL) Logische Verknüpfungen Daten austauschen Daten umformen Datenformate Standards 2/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Daten organisieren, Daten speichern: Relationale Datenbank Ursprüngliche Information Normalisieren Relationen Relationale Operatoren (Select, Project, Join) Umstrukturierte Information 3/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Logische Verknüpfungen als Grundlage für die Informationsgewinnung Daten verwalten (2) Logische Verknüpfungen als Grundlage für die Informationsgewinnung Werte von Aussagen: Wahrheitstabellen Grafische vs. formale Darstellung von Abfragen Boolesche Algebra

Wiedergewinnen von Information: Aussagenlogik Welche Nahrungsmittel enthalten weniger als 2 mg Eisen? Name in Nahrungsmittel mit Nährstoff = Eisen und Menge < 2 Datenbankabfrage Aussage ausgewertet mit Tupel einer Datenbank wahr (z.B. 1.7mg Eisen) falsch (z.B. 3.4mg Eisen) 4/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Elemente der Aussagenlogik Eine Aussage hat einen Wahrheitswert ("wahr", "falsch") Aussagen können aus Teilaussagen zusammengesetzt sein Diese Teilaussagen sind durch logische Operatoren verknüpft Der Wahrheitswert einer zusammengesetzten Aussage ist vollständig durch die Wahrheitswerte der Teilaussagen und die Art der Verknüpfung gegeben. Beispiele "Es schneit" (einfach) "Rosen sind rot und Veilchen sind blau" (zusammengesetzt) "Sie ist intelligent oder lernt jede Nacht" (zusammengesetzt) "Wohin gehst Du?" (keine Aussage) 5/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Konjunktion: "sowohl p als auch q" p and q Logische Operatoren Die logischen Operanden p und q sollen Teilaussagen bezeichnen z.B. p steht für: Nährstoff = Eisen (kann wahr sein oder falsch) q steht für: Menge < 2 (kann wahr sein oder falsch) Konjunktion: "sowohl p als auch q" p and q Disjunktion: "entweder p oder q" p or q Negation: "nicht p" not p Beispiele "Es schneit" (einfach) "Rosen sind rot und Veilchen sind blau" (zusammengesetzt) "Sie ist intelligent oder lernt jede Nacht" (zusammengesetzt) "Wohin gehst Du?" (keine Aussage) 6/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Werte von Aussagen: Wahrheitstabellen Daten verwalten (2) Logische Verknüpfungen als Grundlage für die Informationsgewinnung Werte von Aussagen: Wahrheitstabellen Grafische vs. formale Darstellung von Abfragen Boolesche Algebra

Werte von Aussagen: Wahrheitstabellen Logische Verknüpfungen anschaulich spezifizieren Für jede mögliche Kombination von der logischen Operanden wird das Resultat der Verküpfung aufgelistet p q Verknüpfung von p mit q w x f w = wahr, f = falsch 7/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Wahrheitstabelle für die Konjunktion Symbole: und, and, •,  p q p and q w f Die erste Zeile ist eine Kurzform für: "Falls p wahr ist und q wahr ist, dann ist p and q wahr Für alle Zeilen: wenn p dann q sonst falsch 8/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Wahrheitstabelle für die Disjunktion Symbole: oder, or, +,  p q p or q w f Beachte: p or q ist nur dann falsch wenn beide Teilaussagen falsch sind Für alle: wenn p dann wahr sonst q 9/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Eisen ist magnetisch and Gold ist gelb ist wahr Beispiele Eisen ist magnetisch and Gold ist gelb ist wahr Eisen ist magnetisch and Gold ist magnetisch ist falsch Eisen ist magnetisch or Gold ist gelb ist wahr Eisen ist magnetisch or Gold ist magnetisch ist wahr Eisen ist gelb or Gold ist magnetisch ist falsch 10/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Wahrheitstabelle für die Negation Symbole: nicht, not, ¬ p not p w f Kann durch Setzen von Klammern aufgehoben werden Vorrangregelung der logischen Operatoren : 1. not 2. and 3. or 4. Vergleiche p or q and r ≠ (p or q) and r 11/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Bemerkungen zur Disjunktion Umgangssprachlich bedeutet "oder" meistens: p oder q oder beide (sie ist intelligent oder sie studiert jede Nacht) p or q bedeutet immer "p oder q oder beide" (siehe Wahrheitstabelle) manchmal bedeutet "oder" jedoch: p oder q aber nicht beide (sie telefoniert aus Basel oder aus Genf) für diese Bedeutung wird die exklusive Disjunktion (xor) angewandt p q p xor q w f Beachte: p xor q ist dann falsch wenn beide Teilaussagen entweder falsch oder richtig sind. 12/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Disjunktion oder exklusive Disjunktion? Genauer: drink xor drive Aber stimmt das? Genauer: drink and < 1 Glas xor drive Stimmts jetzt? Genauer: (drink and ≤ 1 Glas and drive) or (drink and > 1 Glas and not drive) 13/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Das neue Plakat © Raphael Theiler 14/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Logische Äquivalenzen Ein paar Spezialfälle Logische Äquivalenzen not p or not q  not ( p and q ) (de Morgan) not p and not q  not ( p or q ) Tautologie p or not p Widerspruch p and not p p not p p or not p w f p not p p and not p w f 15/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Grafische vs. formale Darstellung von Abfragen Daten verwalten (2) Logische Verknüpfungen als Grundlage für die Informationsgewinnung Werete von Aussagen: Wahrheitstabellen Grafische vs. formale Darstellung von Abfragen Boolesche Algebra

Grafische vs. formale Darstellung logischer Verknüpfungen Welche Nahrungsmittel enthalten weniger als 2 mg Eisen oder Zink? Mengendiagramme Alle Nahrungsmittel mit Zink Alle Nahrungsmittel mit Eisen Alle Nahrungsmittel mit Menge < 2 mg Logischer Ausdruck (Menge < 2 mg) and (Nährstoff = Eisen) or (Nährstoff = Zink) 16/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Grafische vs. formale Darstellung logischer Verknüpfungen (Menge < 2 mg) and (Nährstoff = Eisen) or (Nährstoff = Zink) Menge and Eisen Eisen Zink Menge 17/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Grafische vs. formale Darstellung logischer Verknüpfungen Welche Nahrungsmittel enthalten weniger als 2 mg Eisen oder weniger als 2 mg Zink? Logischer Ausdruck (Nährstoff = Eisen) and (Menge < 2 mg) or (Nährstoff = Zink) and (Menge < 2 mg) 18/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Wahrheitstabellen für die Analyse logischer Ausdrücke (Menge < 2 mg) and (( Nährstoff = Eisen) or (Nährstoff = Zink)) < 2 mg Eisen Zink Eisen or Zink (Eisen or Zink) and < 2 mg W F 19/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Wahrheitstabellen für die Analyse logischer Ausdrücke (Menge < 2 mg) and ( Nährstoff = Eisen) or (Nährstoff = Zink) < 2 mg Eisen Zink < 2 mg and Eisen or Zink W F 20/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Boolesche Algebra Daten verwalten (2) Logische Verknüpfungen als Grundlage für die Informationsgewinnung Werte von Aussagen: Wahrheitstabellen Grafische vs. formale Darstellung von Abfragen Boolesche Algebra

Boolesche Algebra Eine Menge M mit zwei Verknüpfungen "•" und "+" heisst Boolesche* Algebra, wenn für alle x, y, z  M gilt: (1) x • (y • z) = (x • y) • z; Assoziativ (2) x + (y + z) = (x + y) + z; Assoziativ (3) x • y = y • x; Kommutativ (4) x + y = y + x; Kommutativ (5) x • (x + y) = x; Absorption (6) x + (x • y) = x; Absorption (8) x • (y + z) = (x • y) + (x • z); Distributiv (8) x + (y • z) = (x + y) • (x + z); Distributiv * nach George Boole, englischer Mathematiker, 1815 – 1864 21/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Boolesche Algebra es gibt ein Element 0  M mit 0 • x = 0 und 0 + x = x für alle x  M ; Neutrales Element (10) es gibt ein Element 1  M mit 1 • x = x und 1 + x = x für alle x  M ; (11) zu jedem x  M existiert genau ein y  M mit x • y = 0 und x + y = 1; Komplementäres Element Wir ersetzen "wahr" mit "1" und "falsch" mit "0" und wenden die Boolesche Algebra auf logische Ausdrücke an. 22/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Vereinfachung logischer Ausdrücke Wir möchten einen Fruchtsalat mit Ananas und Bananen oder mit Ananas und keinen Bananen oder mit keinen Ananas und keinen Bananen. Können wir das einfacher sagen? Was sagen wir überhaupt? Ananas und Banane oder Ananas und keine Banane oder keine Ananas und keine Banane 23/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Vereinfachung logischer Ausdrücke Ananas und Banane oder Ananas und keine Banane oder keine Ananas und keine Banane 1. (A • B) + (A • ¬B) + (¬A • ¬B) 2. [A • (B + ¬B)] + (¬A • ¬B) Distributivgesetz 3. (A • 1) + (¬A • ¬B) komplementäres Element bez. + 4. A + (¬A • ¬B) neutrales Element bez. • 5. (A + ¬A) • (A + ¬B) Distributivgesetz 6. 1 • (A + ¬B) komplementäres Element bez. + 7. A + ¬B neutrales Element bez. • Ananas oder keine Banane Aber . . . sind der 1. und der 7. Ausdruck auch äquivalent? 24/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Verifizierung logischer Ausdrücke 1. Ausdruck: A B ((A • B) + (A ¬B)) (¬A ¬B) 1 Schritt: 2 5 3 6 4 7. Ausdruck: A B + ¬B 1 Schritt: 2 Reihenfolge: Aussage Logischer Ausdruck (Symbole) Boolesche Algebra Ausdruck evaluieren 25/25 Informatik für Biol. & Pharm. Wissenschaften © Departement Informatik, ETH Zürich

Danke für Ihre Aufmerksamkeit