Задание 15 ЕГЭ по информатике: побитовая конъюнкция, отрезки, координатная плоскость

Подтемы

Что проверяет задание

Задание 15 проверяет умение работать с логическими выражениями, содержащими переменную (обычно xx, иногда xx и yy) и параметр (обычно AA). Нужно найти наименьшее или наибольшее значение параметра, при котором формула тождественно истинна — то есть верна абсолютно для любого допустимого значения переменной.

Задание объединяет несколько разных техник, которые встречаются в вариантах под одним и тем же номером:

  • работа с побитовой конъюнкцией целых чисел;
  • работа с числовыми промежутками (неравенствами на числовой прямой);
  • работа с областями на координатной плоскости;
  • прочие формулы, где переменные принимают значения из небольшого набора или сводятся к таблице истинности.

По сути, во всех случаях проверяется одно и то же умение: перевести логическую формулу в язык множеств (битов, отрезков, фигур) и понять, при каком условии одно множество полностью содержится в другом.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка: «Для какого наименьшего неотрицательного целого числа AA формула ... тождественно истинна (то есть принимает значение 1 при любом неотрицательном целом значении переменной xx)?» Вместо побитовой конъюнкции в других вариантах формула может содержать неравенства вида x≥ax \ge a, x≤bx \le b или условия принадлежности точки (x,y)(x,y) фигурам на плоскости.

Задание оценивается в 1 первичный балл, относится к повышенному уровню сложности. Ответ — число, которое нужно записать без единиц измерения. На решение стоит отводить не больше 5–7 минут: если формула громоздкая, лучше сразу искать условие ложности, а не истинности — это почти всегда короче.

Что нужно знать

  • Таблица истинности импликации: a→ba \to b ложно только тогда, когда a=1a = 1, b=0b = 0; во всех остальных случаях истинно.
  • Отрицание импликации: ¬(a→b)=a∧¬b\neg(a \to b) = a \wedge \neg b.
  • Законы де Моргана: ¬(a∨b)=¬a∧¬b\neg(a \vee b) = \neg a \wedge \neg b, ¬(a∧b)=¬a∨¬b\neg(a \wedge b) = \neg a \vee \neg b.
  • Приоритет операций (от высшего к низшему): ¬\neg, &\& (конъюнкция), ∨\vee (дизъюнкция), →\to (импликация), ∼\sim (эквивалентность).
  • Формула тождественно истинна, если множество значений переменной, при которых она ложна, — пустое.
  • Побитовая конъюнкция m&nm \& n: результат получается применением логического И к каждому разряду двоичной записи чисел mm и nn.
  • Правило чтения условий с &\&: x&K≠0x \& K \ne 0 означает, что у xx и KK есть хотя бы один общий установленный бит; x&K=0x \& K = 0 означает, что на всех позициях, где у KK стоит 1, у xx стоит 0.
  • Любое целое число раскладывается по степеням двойки: K=∑2kiK = \sum 2^{k_i}, и это разложение удобно оформлять в виде набора номеров установленных битов.
  • Для отрезков: неравенство x≥ax \ge a задаёт луч, x≤bx \le b — луч, их конъюнкция — отрезок [a;b][a; b]; объединение отрезков может давать промежуток без разрывов только при определённом соотношении границ.
  • Для координатной плоскости: конъюнкция условий — пересечение фигур, дизъюнкция — объединение, отрицание — дополнение до всей плоскости.

Методы решения

1. Битовый анализ (побитовая конъюнкция). Все числа в формуле раскладываются на степени двойки, после чего формула превращается в систему условий на отдельные биты xx. Наименьшее AA находится через определение того, какие биты обязаны в нём присутствовать.

Мини-пример. Пусть нужно, чтобы из x&4≠0x \& 4 \ne 0 следовало x&A≠0x \& A \ne 0 для всех xx. Число 4 — это единственный бит (позиция 2). Если AA не содержит этот бит, можно взять x=4x = 4: тогда x&4≠0x\&4\ne0 истинно, а x&A=0x\&A=0 — импликация ложна. Значит, AA обязан содержать бит 2, минимальное такое A=4A = 4.

2. Метод числовых отрезков. Условия вида x<ax < a, x≥bx \ge b переводятся в отрезки и лучи на числовой прямой, строится рисунок, и тождественная истинность формулы соответствует тому, что объединение «разрешённых» промежутков покрывает всю область значений xx без пропусков.

Мини-пример. Формула (x<5)∨(x≥A)(x < 5) \vee (x \ge A) тождественно истинна для всех целых xx, если промежутки (−∞;5)(-\infty; 5) и [A;+∞)[A; +\infty) вместе покрывают всю прямую, то есть A≤5A \le 5. Наибольшее целое AA равно 5.

3. Метод координатной плоскости. Каждое условие на (x,y)(x, y) изображается как фигура (круг, полоса, угол, прямоугольник). Импликация P→QP \to Q тождественно истинна тогда и только тогда, когда фигура PP целиком лежит внутри фигуры QQ (при этом важно учитывать, включена граница или нет).

Мини-пример. Если PP — круг радиуса 3 с центром в начале координат, а QQ — круг радиуса RR с тем же центром, то P→QP \to Q тождественно истинна при R≥3R \ge 3; наименьшее такое целое R=3R = 3.

4. Метод таблиц истинности и алгебраических преобразований (разное). Если переменных немного или формула содержит параметр в «неудобном» месте, формулу упрощают алгебраически (снятие импликаций, раскрытие отрицаний, вынесение общих множителей) либо строят таблицу истинности по всем комбинациям значений, сравнивая столбцы.

Мини-пример. Формула (x→y)∧(y→x)(x \to y) \wedge (y \to x) равносильна x∼yx \sim y, что сразу видно после раскрытия импликаций и упрощения — не нужно перебирать все четыре строки таблицы вручную.

Алгоритм решения по шагам

  1. Расставить приоритеты операций и, если нужно, добавить скобки, чтобы не ошибиться в структуре формулы.
  2. Определить, при каком условии формула ложна — почти всегда это проще, чем искать условие истинности напрямую, потому что импликация ложна только в одном случае.
  3. Последовательно раскрыть все вложенные импликации через ¬(a→b)=a∧¬b\neg(a \to b) = a \wedge \neg b, получив в итоге одну большую конъюнкцию элементарных условий.
  4. Перевести элементарные условия на язык подтемы: биты числа (для &\&), отрезки (для неравенств с xx) или фигуры (для (x,y)(x,y)).
  5. Потребовать, чтобы система условий, полученная в шаге 3–4, была невыполнима — то есть не существовало xx (или пары (x,y)(x,y)), удовлетворяющего всем условиям одновременно.
  6. Из требования невыполнимости вывести ограничение на параметр AA и найти его наименьшее/наибольшее допустимое значение.
  7. Подставить найденное значение в исходную формулу на граничном случае и убедиться, что импликация действительно не нарушается.

Разбор примеров

Пример 1. Найти наименьшее неотрицательное целое AA, при котором формула (x&29≠0)→((x&17=0)→(x&A≠0))(x\&29\ne0) \to \big((x\&17=0) \to (x\&A\ne0)\big) тождественно истинна.

Шаг 1–3. Формула ложна, когда истинна левая часть внешней импликации и ложна правая. Раскрываем: формула ложна тогда и только тогда, когда x&29≠0 ∧ x&17=0 ∧ x&A=0.x\&29\ne0 \ \wedge\ x\&17=0 \ \wedge\ x\&A=0.

Шаг 4. Раскладываем числа по степеням двойки: 29=16+8+4+129 = 16+8+4+1 — установлены биты на позициях 4, 3, 2, 0; 17=16+117 = 16+1 — установлены биты 4 и 0.

Условие x&17=0x\&17=0 означает, что у xx биты 4 и 0 равны нулю. При этом условии выражение x&29≠0x\&29\ne0 может выполняться только за счёт битов 3 или 2 (биты 4 и 0 уже занулены). Значит, система из шага 3 равносильна: у xx бит 4 = 0, бит 0 = 0, и (бит 3 = 1 или бит 2 = 1), и при этом x&A=0x\&A=0.

Шаг 5–6. Чтобы такой xx не существовал, AA должен «перехватывать» оба варианта: если бы AA не содержал бит 3, можно было бы взять xx с единственным установленным битом 3 — тогда x&A=0x\&A=0, и формула оказалась бы ложной. Аналогично для бита 2. Значит, AA обязан содержать оба бита: 3 и 2, то есть A≥8+4=12A \ge 8+4=12.

Шаг 7. Наименьшее A=12A = 12. Проверка: 12=1100212 = 1100_2 пересекается с любым xx, у которого установлен бит 3 или бит 2, значит условие выполняется. Ответ: 12.

Пример 2. Найти наименьшее неотрицательное целое AA, при котором формула ((x&28≠0)∨(x&45≠0))→((x&17=0)→(x&A≠0))\big((x\&28\ne0)\vee(x\&45\ne0)\big) \to \big((x\&17=0)\to(x\&A\ne0)\big) тождественно истинна.

Шаг 1–3. Формула ложна, когда: ((x&28≠0)∨(x&45≠0)) ∧ x&17=0 ∧ x&A=0.\big((x\&28\ne0)\vee(x\&45\ne0)\big)\ \wedge\ x\&17=0\ \wedge\ x\&A=0.

Шаг 4. Раскладываем числа: 28=16+8+428 = 16+8+4 — биты 4,3,2; 45=32+8+4+145 = 32+8+4+1 — биты 5,3,2,0; 17=16+117=16+1 — биты 4,0.

При условии x&17=0x\&17=0 (биты 4 и 0 равны нулю) выражение x&28≠0x\&28\ne0 сводится к «бит 3 или бит 2 установлен», а x&45≠0x\&45\ne0 — к «бит 5, 3 или 2 установлен» (бит 0 уже занулён). Дизъюнкция этих двух условий даёт: установлен хотя бы один из битов 5, 3, 2.

Шаг 5–6. Система ложности требует, чтобы при установленном хотя бы одном из битов {5,3,2} выполнялось x&A=0x\&A=0 — этого нужно не допустить. Значит, AA должен содержать все три бита: если бы, например, бит 5 отсутствовал в AA, можно было бы взять xx с единственным установленным битом 5, и получить x&A=0x\&A=0, что ломает формулу. Аналогично для битов 3 и 2.

Шаг 7. Минимальное A=32+8+4=44A = 32+8+4 = 44. Ответ: 44.

Пример 3 (для самопроверки) решается тем же методом: формула x&33=0→(x&45≠0→x&A≠0)x\&33=0 \to (x\&45\ne0 \to x\&A\ne0) ложна при x&33=0∧x&45≠0∧x&A=0x\&33=0 \wedge x\&45\ne0 \wedge x\&A=0. Так как 33=32+133=32+1 (биты 5,0), а 45=32+8+4+145=32+8+4+1 (биты 5,3,2,0), при занулённых битах 5 и 0 условие x&45≠0x\&45\ne0 сводится к «бит 3 или бит 2 установлен». Значит, AA должен содержать оба этих бита: A=8+4=12A = 8+4=12.

Во всех трёх примерах видно общее правило: если из условия «внешние биты уже занулены» следует, что оставшееся неравенство x&K≠0x\&K\ne0 держится сразу на нескольких независимых битах, то параметр AA обязан включать каждый из этих битов по отдельности — иначе всегда найдётся xx с единственным «неудобным» битом, который обнуляет пересечение с AA.

Типичные ошибки и ловушки

  • Путают приоритет операций и забывают, что импликация выполняется после конъюнкции и дизъюнкции — это меняет структуру формулы и приводит к неверной системе условий.
  • Ищут, при каких xx формула истинна, вместо того чтобы искать, при каких она ложна: второй путь почти всегда короче, особенно для сложных импликаций.
  • Ошибаются при переводе десятичного числа в биты — стоит всегда явно выписывать степени двойки, а не держать разложение в уме.
  • Считают, что для тождественной истинности достаточно, чтобы AA пересекался хоть с одним из «опасных» битов, а не с каждым по отдельности — это самая частая ошибка именно в задачах на побитовую конъюнкцию.
  • В задачах на отрезки путают строгие и нестрогие неравенства, из-за чего граничное значение параметра оказывается на единицу меньше или больше нужного.
  • На координатной плоскости забывают учитывать, входит ли граница фигуры (окружность, прямая) в саму фигуру, — это критично при поиске точного наименьшего/наибольшего значения радиуса или координаты.
  • Путают понятия «тождественно истинна» (верно для всех xx) и «выполнима» (верно хотя бы для одного xx) — это меняет весь ход решения.
  • Забывают, что в ответе нужно указать именно наименьшее (или именно наибольшее) число, а не любое подходящее значение параметра.

Как готовиться

Сначала отработайте перевод чисел в двоичную систему и обратно настолько, чтобы раскладывать двух-трёхзначные числа на степени двойки почти автоматически. Затем натренируйте единый алгоритм: всегда искать условие ложности формулы через раскрытие импликаций, а не пытаться угадывать ответ. Решите подряд десяток задач именно на побитовую конъюнкцию — это самая частая разновидность задания 15 в последних вариантах, и приёмы там почти не меняются от задачи к задаче. После этого разберите отдельно блок с числовыми отрезками (рисуйте числовую прямую и штрихуйте области — это резко снижает число ошибок) и блок с координатной плоскостью (стройте фигуры на бумаге, а не в уме). Полезно после каждой решённой задачи проверять себя подстановкой граничного значения xx и параметра — это позволяет поймать ошибку до того, как ответ будет засчитан неверным.

Частые вопросы

Как быстро понять, когда импликация в задании 15 ложна?

Импликация a→ba\to b ложна только в одном случае: когда aa истинно, а bb ложно. Поэтому вместо поиска условий истинности всей формулы удобнее раскрыть отрицание импликации через ¬(a→b)=a∧¬b\neg(a\to b)=a\wedge\neg b и искать, когда получившаяся конъюнкция невыполнима.

Что означает x&K≠0 на практике?

Это значит, что у чисел xx и KK есть хотя бы один совпадающий установленный бит. Чтобы проверить это, разложите KK на степени двойки и смотрите, может ли xx иметь единицу хотя бы в одной из этих позиций.

Почему для побитовых задач нужно требовать наличие каждого бита в A отдельно?

Потому что условие вида «бит p или бит q установлен» может выполняться за счёт только одного из битов. Если A не содержит, скажем, бит p, всегда можно взять x с единственным установленным битом p — тогда x&A=0, и формула станет ложной. Поэтому A обязан перекрывать каждый вариант отдельно.

Как искать наименьшее или наибольшее A на числовой прямой?

Переведите все условия на x в отрезки и лучи, изобразите их на прямой одной штриховкой. Тождественная истинность соответствует тому, что вся числовая прямая (или весь рассматриваемый диапазон) покрыта без пропусков; граничное значение параметра — это точка, где промежутки как раз смыкаются.

На что обращать внимание в задачах с координатной плоскостью?

Важно правильно определить тип фигуры для каждого условия (круг, полоса, угол) и то, включена ли граница. Импликация P→Q тождественно истинна, если фигура P целиком содержится в фигуре Q; ищите крайнее положение параметра, при котором это включение ещё сохраняется.

Сколько времени стоит тратить на задание 15 на экзамене?

Обычно 5–7 минут достаточно, если сразу применять алгоритм: раскрыть импликации, свести к системе условий, перевести в биты/отрезки/фигуры и найти границу параметра. Если формула кажется громоздкой, не пытайтесь подбирать x наугад — структурный разбор быстрее.

Можно ли решить такие задачи подбором чисел без анализа битов?

В простых случаях с одним-двумя числами подбор возможен, но при трёх и более числах с пересекающимися битами подбор занимает больше времени и легче приводит к ошибке, чем систематическое разложение на степени двойки и анализ каждого разряда.