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カルノー図は、真理値表の1を、隣どうしが1か所だけ違うように並べた表で、隣り合う1を1・2・4・8個の長方形で大きく囲むと論理式が簡単になります。囲み方は4つのルール、解き方の流れは過去問の節へ。
結論|まず30秒でわかる答え
カルノー図とは、真理値表で出力が1になるところを、入力の組み合わせが1か所だけ違うマス同士が隣り合うように並べた表です。隣り合う1を、1個・2個・4個・8個の長方形でできるだけ大きく囲むと、囲みの中で変わらない入力だけが残ります。ブール代数で式を変形しなくても、論理式を簡単にできます。
カルノー図とは?「隣とは1か所だけ違う」ように並べた表
論理回路の出力を式で書くと、出力が1になる入力の組み合わせを全部「または(+)」でつないだ長い式になります。たとえば、Aが1でBが1でCが0のときは A·B·C(Cの上の線は「Cが0」の意味)のように書きます。
長い式の中に、A·B·C と A·B·C のように「Cだけが違う2つの項」があれば、Cは0でも1でもよいので、2つをまとめて A·B と書けます。カルノー図は、このまとめられる項同士を、表の上で隣に並べる工夫です。
3変数のカルノー図の並べ方
| A \ BC | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 0 | A=0,B=0,C=0 | A=0,B=0,C=1 | A=0,B=1,C=1 | A=0,B=1,C=0 |
| 1 | A=1,B=0,C=0 | A=1,B=0,C=1 | A=1,B=1,C=1 | A=1,B=1,C=0 |
POINT
横の並びは 00・01・11・10 です。01の次を10にせず11にするのは、隣のマスとの違いを1か所(1ビット)だけにするためです。01→11はBだけ、11→10はCだけが変わります。
たとえると
時計の文字盤のように、表の右端と左端もつながっていると考えます。10(右端)と00(左端)も、Bだけが違う「お隣さん」です。
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カルノー図の囲み方の4つのルール
STEP 1
1が入ったマスだけを囲む(0のマスを入れない)
STEP 2
囲む個数は1・2・4・8個の長方形(3個や6個は不可)
STEP 3
できるだけ大きく、できるだけ少ない数の囲みで、すべての1を囲む。1つのマスが2つの囲みに入ってもよい
STEP 4
表の左端と右端(上端と下端)はつながっているものとして囲んでよい
囲みが決まったら、それぞれの囲みの中で値が変わらない入力だけを書き出し、囲み同士を「+」でつなぎます。2個の囲みでは入力が1つ消え、4個の囲みでは2つ消えます。
例題:出力が1になるのが 010・011・101・110・111 のとき
| A \ BC | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
STEP 1
B=1の列(11と10)は、2行とも1 → 4個の囲み。中で変わらないのは B=1 → B
STEP 2
A=1の行の 01 と 11 → 2個の囲み。変わらないのは A=1・C=1 → A·C
POINT
長い式 A·B·C+A·B·C+A·B·C+A·B·C+A·B·C(5つの項)が、B+A·C の2つの項になりました。論理回路で使うゲートの数も減ります。
電験三種の過去問で確かめる
カルノー図は、機械の「情報伝送及び処理」で、真理値表から論理式を選ぶ問題として出題されています。
| 年度・問題 | 出力が1になる入力(A B C) | 答え |
| 令和2年度 問14 | 001・011・101・110・111 | X=A·B+C |
| 令和5年度下期 問14 | 000・001・010・100 | X=A·B+B·C+C·A |
| 平成23年度 問18 | 4変数のカルノー図 | X=A·B+B·D+A·C·D+A·B·C·D を、NAND・NORで書き直す |
令和5年度下期 問14:端と端がつながる囲み
| A \ BC | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
STEP 1
00の列は2行とも1 → 縦の2個の囲み。変わらないのは B=0・C=0 → B·C
STEP 2
A=0の行の 00 と 01 → 横の2個の囲み → A·B
STEP 3
A=0の行の 00 と 10(左端と右端)→ つながっているので2個の囲み → A·C
注意|ここで間違えやすい
右端の10と左端の00を囲むのを忘れると、A·C の項が出てこず、選択肢に合う式が見つかりません。カルノー図では、端のマスに1があったら、反対側の端を必ず見ましょう。
平成23年度 問18 のように、簡単にした式を NAND だけ・NOR だけで書き直す問題では、ド・モルガンの法則で「全体を2回否定する」変形を使います。
ブール代数で解く方法と、どちらが速いか
同じ問題は、ブール代数の法則(べき等則・分配則・補元則など)で式を変形しても解けます。令和2年度 問14 を式で解くと、同じ項を足してからまとめる、という変形が5回ほど要ります。
| カルノー図 | ブール代数 |
| やること | 表に1を書いて、囲むだけ | 法則を使って式を変形する |
| 得意なこと | 3〜4変数の式をすばやく最も簡単な形にする | 式の一部だけを変形する、NAND・NOR への書き直し |
| つまずきやすいところ | 並べ方(00・01・11・10)、端のつながり | どの項を足してまとめるかの見通し |
POINT
試験では、カルノー図で答えを出し、選択肢の式に 000〜111 のいくつかを入れて確かめる方法が速くて確実です。
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カルノー図でよくある間違い
| よくある間違い | 正しい考え方 |
| 00・01・10・11 の順に並べる | 00・01・11・10(隣は1か所だけ違う) |
| 3個や6個で囲む | 1・2・4・8個の長方形だけ |
| 端と端を別々に囲む | 左右の端(上下の端)はつながっている |
| 小さい囲みをたくさん作る | できるだけ大きく、少ない数で囲む |
| 囲みの中で変わる入力を書く | 囲みの中で変わらない入力だけを書く |
よくある質問
Q. カルノー図とは何ですか?
A. 真理値表の1を、隣のマスとは入力が1か所だけ違うように並べた表です。隣の1を囲んで論理式を簡単にします。
Q. カルノー図の並べ方は?
A. 00、01、11、10の順に並べます。01の次を11にすることで、隣り合うマスの違いが1ビットだけになります。
Q. カルノー図は何個ずつ囲む?
A. 1個・2個・4個・8個の長方形で、できるだけ大きく囲みます。3個や6個では囲めません。
Q. カルノー図の端はつながっていますか?
A. はい。左端と右端、上端と下端は隣り合っていると考えるので、端と端の1をまとめて囲めます。
Q. カルノー図とブール代数はどちらを使う?
A. 3〜4変数の式を最も簡単にするならカルノー図が速く、NANDやNORへの書き直しはブール代数を使います。
この記事の要点
- カルノー図は、隣のマスとの違いが1か所だけになるように並べた真理値表
- 並べ方は 00・01・11・10
- 1・2・4・8個の長方形で、できるだけ大きく囲む
- 端と端はつながっている
- 囲みの中で変わらない入力だけを書き、+でつなぐ
参考にした資料
法令・規格・資料は改訂されることがあります。実務で使うときは、発行元の最新版で確かめてください。
この記事の理解を深める本と道具
おすすめの本
「カルノー図」を試験の得点につなげるなら、機械科目の教科書で前後の単元とあわせて押さえておくと安心です。TAC出版『みんなが欲しかった!』シリーズの、電験三種「機械」の教科書と問題集です。フルカラーの教科書に重要な過去問が付いています。
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電験三種・QC検定1級 / メーカーでパワエレ設計・品質保証 実務10年
メーカーで回路設計と生産技術(品質改善)に携わってきた経験をもとに執筆しています。むずかしい専門用語をできるだけ使わず、はじめて学ぶ人がつまずかないように、図とたとえで説明することを大切にしています。
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