stringtranslate.com

Нечеткий набор

В математике нечеткие множества ( также известные как неопределенные множества ) — это множества , элементы которых имеют степени принадлежности. Нечеткие множества были введены независимо Лотфи А. Заде в 1965 году как расширение классического понятия множества. [1] [2] В то же время Салий (1965) определил более общий вид структуры, называемый «L-отношением», которое он изучал в абстрактном алгебраическом контексте; нечеткие отношения являются особыми случаями L -отношений, когда Lединичный интервал [0, 1]. Теперь они используются в нечеткой математике , имея приложения в таких областях, как лингвистика (De Cock, Bodenhofer & Kerre 2000), принятие решений (Kuzmin 1982) и кластеризация (Bezdek 1978).

В классической теории множеств принадлежность элементов к множеству оценивается в бинарных терминах в соответствии с двухвалентным условием — элемент либо принадлежит, либо не принадлежит множеству. Напротив, теория нечетких множеств допускает постепенную оценку принадлежности элементов к множеству; это описывается с помощью функции принадлежности, значение которой находится в реальном единичном интервале [0, 1]. Нечеткие множества обобщают классические множества, поскольку индикаторные функции (они же характеристические функции) классических множеств являются частными случаями функций принадлежности нечетких множеств, если последние принимают только значения 0 или 1. [3] В теории нечетких множеств классические двухвалентные множества обычно называются четкими множествами . Теория нечетких множеств может использоваться в широком диапазоне областей, в которых информация неполна или неточна, таких как биоинформатика . [4]

Определение

Нечеткое множество — это пара, где — множество (часто требуется, чтобы оно было непустым ) и функция принадлежности. Справочное множество (иногда обозначаемое как или ) называется универсумом дискурса , а для каждого значение называется степенью принадлежности в . Функция называется функцией принадлежности нечеткого множества .

Для конечного множества нечеткое множество часто обозначается как

Пусть . Тогда называется

(Четкий) набор всех нечетких множеств во вселенной обозначается (или иногда просто ). [6]

Четкие множества, связанные с нечеткими множествами

Для любого нечеткого множества определены следующие четкие множества:

Обратите внимание, что некоторые авторы понимают «ядро» по-разному; см. ниже.

Другие определения

называется точкой кроссинговера .
где обозначает супремум , который существует, поскольку непуст и ограничен сверху 1. Если U конечно, мы можем просто заменить супремум максимумом.
В конечном случае, когда супремум является максимумом, это означает, что по крайней мере один элемент нечеткого множества имеет полное членство. Непустое нечеткое множество может быть нормализовано с результатом деления функции принадлежности нечеткого множества на его высоту:
Помимо сходства, это отличается от обычной нормализации тем, что нормирующая константа не является суммой.
В случае, когда — конечное множество или, в более общем смысле, замкнутое множество , ширина равна
В n -мерном случае указанное выше можно заменить n -мерным объемом .
В общем случае это можно определить, если задана любая мера на U , например, путем интегрирования (например, интегрирования Лебега ) .
.
Без потери общности можно взять xy , что дает эквивалентную формулировку
.
Это определение можно распространить на общее топологическое пространство U : мы говорим, что нечеткое множество является выпуклым , когда для любого подмножества Z из U выполняется условие
имеет место, где обозначает границу Z , а обозначает образ множества X (здесь ) под действием функции f (здесь ).

Операции с нечеткими множествами

Хотя дополнение нечеткого множества имеет единственное наиболее общее определение, другие основные операции, объединение и пересечение, имеют некоторую неоднозначность.

.
,
и их союз определяется:
.

По определению t-нормы мы видим, что объединение и пересечение являются коммутативными , монотонными , ассоциативными и имеют как нулевой , так и единичный элемент . Для пересечения это ∅ и U соответственно, тогда как для объединения они меняются местами. Однако объединение нечеткого множества и его дополнения может не привести к полному универсуму U , а их пересечение может не дать пустого множества ∅. Поскольку пересечение и объединение ассоциативны, естественно определить пересечение и объединение конечного семейства нечетких множеств рекурсивно. Примечательно, что общепринятыми стандартными операторами для объединения и пересечения нечетких множеств являются операторы max и min:

Примеры нечетких пар пересечения/объединения со стандартным отрицанием можно получить из примеров, приведенных в статье о t-нормах .
Нечеткое пересечение в общем случае не является идемпотентным , поскольку стандартная t-норма min — единственная, которая обладает этим свойством. Действительно, если в качестве t-нормы используется арифметическое умножение, то результирующая операция нечеткого пересечения не является идемпотентной. То есть, итеративное взятие пересечения нечеткого множества с самим собой не является тривиальным. Вместо этого оно определяет m -ю степень нечеткого множества, которая может быть канонически обобщена для нецелых экспонент следующим образом:

Случай показателя два достаточно особенный, чтобы дать ему название.

Принимая , имеем и

что означает , например:
[8]
Другое предложение по установлению разницы может быть следующим:
[8]
или используя комбинацию только max , min и стандартного отрицания, что дает
[8]
Аксиомы для определения обобщенных симметричных разностей, аналогичные аксиомам для t-норм, t-конорм и отрицателей, были предложены Вемуром и др. (2014) с предшественниками Альсиной и др. (2005) и Бедрегалом и др. (2009). [8]

Непересекающиеся нечеткие множества

В отличие от общей неоднозначности операций пересечения и объединения, для непересекающихся нечетких множеств существует ясность: два нечетких множества являются непересекающимися тогда и только тогда, когда

что эквивалентно

а также эквивалентно

Мы помним, что min / max — это пара at/s-norm, и любая другая тоже подойдет.

Нечеткие множества являются непересекающимися тогда и только тогда, когда их носители непересекаются в соответствии со стандартным определением четких множеств.

Для непересекающихся нечетких множеств любое пересечение даст ∅, а любое объединение даст тот же результат, который обозначается как

с его функцией принадлежности, заданной как

Обратите внимание, что только одно из обоих слагаемых больше нуля.

Для непересекающихся нечетких множеств справедливо следующее:

Это можно обобщить на конечные семейства нечетких множеств следующим образом: дано семейство нечетких множеств с индексным множеством I (например, I = {1,2,3,..., n }). Это семейство (попарно) не пересекается тогда и только тогда, когда

Семейство нечетких множеств является непересекающимся, если и только если семейство базовых опор является непересекающимся в стандартном смысле для семейств четких множеств.

Независимо от пары t/s-нормы пересечение непересекающегося семейства нечетких множеств снова даст ∅, тогда как объединение не имеет неоднозначности:

с его функцией принадлежности, заданной как

Снова только одно из слагаемых больше нуля.

Для непересекающихся семейств нечетких множеств справедливо следующее:

Скалярная мощность

Для нечеткого множества с конечным носителем (т.е. «конечного нечеткого множества») его мощность (также известная как скалярная мощность или сигма-счетчик ) определяется как

.

В случае, когда U само по себе является конечным множеством, относительная мощность определяется как

.

Это можно обобщить для делителя, который является непустым нечетким множеством: Для нечетких множеств с G ≠ ∅ мы можем определить относительную мощность следующим образом:

,

что выглядит очень похоже на выражение для условной вероятности . Примечание:

Расстояние и сходство

Для любого нечеткого множества функция принадлежности может рассматриваться как семейство . Последнее представляет собой метрическое пространство с несколькими известными метриками. Метрика может быть получена из нормы (векторной нормы) с помощью

.

Например, если конечно, т.е. , то такая метрика может быть определена как:

где и — последовательности действительных чисел от 0 до 1.

Для бесконечности максимум можно заменить супремумом. Поскольку нечеткие множества однозначно определяются своей функцией принадлежности, эта метрика может использоваться для измерения расстояний между нечеткими множествами в одной и той же вселенной:

,

что становится в приведенном выше примере:

.

Опять же для бесконечности максимум должен быть заменен супремумом. Другие расстояния (вроде канонической 2-нормы) могут расходиться, если бесконечные нечеткие множества слишком различны, например, и .

Меры сходства (здесь обозначенные как ) могут быть выведены из расстояния, например, по предложению Коци:

если конечно, иначе,

или по Уильямсу и Стилу:

если конечно, иначе

где — параметр крутизны и . [6]

Другое определение для интервально-значных (довольно «размытых») мер сходства также дано Бегом и Ашрафом. [6]

Л-нечеткие множества

Иногда используются более общие варианты понятия нечеткого множества, с функциями принадлежности, принимающими значения в (фиксированной или переменной) алгебре или структуре заданного вида; обычно требуется, чтобы они были по крайней мере частично упорядоченным множеством или решеткой . Их обычно называют L -нечеткими множествами , чтобы отличать их от тех, которые имеют значения на единичном интервале. Обычные функции принадлежности со значениями в [0, 1] тогда называются [0, 1]-значными функциями принадлежности. Эти виды обобщений впервые были рассмотрены в 1967 году Джозефом Гогеном , который был учеником Заде. [9] Классическим следствием может быть указание истинности и значений принадлежности с помощью {f, t} вместо {0, 1}.

Расширение нечетких множеств было предоставлено Атанасовым . Интуиционистское нечеткое множество (IFS) характеризуется двумя функциями:

1. – степень принадлежности x
2. – степень непринадлежности к x

с функциями с .

Это напоминает ситуацию, когда некое лицо, обозначенное голосованием,

В конце концов, у нас есть процент одобрений, процент отрицаний и процент воздержавшихся.

Для этой ситуации могут быть определены специальные "интуитивные нечеткие" отрицатели, t- и s-нормы. С и путем объединения обеих функций эта ситуация напоминает особый вид L -нечетких множеств.

И снова это было расширено путем определения нечетких множеств изображений (PFS) следующим образом: PFS A характеризуется тремя функциями, отображающими U в [0, 1]: «степень положительного членства», «степень нейтрального членства» и «степень отрицательного членства» соответственно, а также дополнительным условием. Это расширяет выборку голосования выше дополнительной возможностью «отказа от голосования».

С учетом и специальных отрицателей «нечеткой картинки», t- и s-норм это напоминает просто еще один тип L -нечетких множеств. [10] [11]

Нейтрософские нечеткие множества

Некоторые ключевые разработки в области введения концепций нечетких множеств. [12]

Концепция IFS была расширена до двух основных моделей. Двумя расширениями IFS являются нейтрософские нечеткие множества и пифагорейские нечеткие множества. [12]

Нейтрософские нечеткие множества были введены Смарандаке в 1998 году. [13] Как и IFS, нейтрософские нечеткие множества имеют предыдущие две функции: одну для членства и другую для нечленства . Главное отличие состоит в том, что нейтрософские нечеткие множества имеют еще одну функцию: для неопределенности . Это значение указывает на степень неопределенности того, что сущность x принадлежит множеству. Эта концепция наличия неопределенного значения может быть особенно полезна, когда нельзя быть полностью уверенным в значениях членства или нечленства для элемента x . [14] Подводя итог, нейтрософские нечеткие множества связаны со следующими функциями:

1. —степень принадлежности x
2. —степень непринадлежности к x
3. —степень неопределенности значения x

Пифагорейские нечеткие множества

Другое расширение IFS — это то, что известно как пифагорейские нечеткие множества. Пифагорейские нечеткие множества более гибкие, чем IFS. IFS основаны на ограничении , которое в некоторых случаях может считаться слишком ограничительным. Вот почему Ягер предложил концепцию пифагорейских нечетких множеств. Такие множества удовлетворяют ограничению , которое напоминает теорему Пифагора. [15] [16] [17] Пифагоровые нечеткие множества могут быть применимы к реальным приложениям, в которых предыдущее условие недействительно. Однако менее ограничительное условие может быть подходящим в большем количестве областей. [12] [14]

Нечеткая логика

Как расширение случая многозначной логики , оценки ( ) пропозициональных переменных ( ) в набор степеней принадлежности ( ) можно рассматривать как функции принадлежности , отображающие предикаты в нечеткие множества (или более формально, в упорядоченный набор нечетких пар, называемый нечетким отношением). С этими оценками многозначная логика может быть расширена, чтобы допустить нечеткие предпосылки , из которых можно делать градуированные выводы. [18]

Это расширение иногда называют «нечеткой логикой в ​​узком смысле» в отличие от «нечеткой логики в широком смысле», которая возникла в инженерных областях автоматизированного управления и инженерии знаний и которая охватывает многие темы, связанные с нечеткими множествами и «приближенными рассуждениями». [19]

Промышленное применение нечетких множеств в контексте «нечеткой логики в широком смысле» можно найти на странице нечеткая логика .

Нечеткое число

Нечеткое число [20] — это нечеткое множество, удовлетворяющее всем следующим условиям:

Если эти условия не выполняются, то A не является нечетким числом . Ядро этого нечеткого числа — синглтон ; его местоположение:

Нечеткие числа можно сравнить с игрой на ярмарке «Угадай свой вес», где кто-то угадывает вес участника, причем более близкие догадки являются более правильными, и где угадывающий «выигрывает», если его или ее догадка достаточно близка к весу участника, а фактический вес оказывается полностью правильным (соответствующим 1 с помощью функции принадлежности).

Ядро нечеткого интервала определяется как «внутренняя» часть без «исходящих» частей, где значение членства постоянно до бесконечности. Другими словами, наименьшее подмножество, где постоянно вне его, определяется как ядро.

Однако существуют и другие концепции нечетких чисел и интервалов, поскольку некоторые авторы не настаивают на выпуклости.

Нечеткие категории

Использование членства в множестве как ключевого компонента теории категорий может быть обобщено на нечеткие множества. Этот подход, который начался в 1968 году вскоре после введения теории нечетких множеств, [21] привел к разработке категорий Гогена в 21 веке. [22] [23] В этих категориях вместо использования членства в множестве с двумя значениями используются более общие интервалы, и они могут быть решетками, как в L -нечетких множествах. [23] [24]

Уравнение нечеткого отношения

Уравнение нечеткого отношения — это уравнение вида A · R = B , где A и B нечеткие множества, R — нечеткое отношение, а A · R обозначает композицию A с  R [ необходима ссылка ] .

Энтропия

Мера d нечеткости для нечетких множеств вселенной должна удовлетворять следующим условиям для всех :

  1. если это четкий набор:
  2. имеет уникальный максимум тогда и только тогда
что означает, что B «четче», чем A.

В этом случае называется энтропией нечеткого множества A.

Для конечного энтропия нечеткого множества определяется выражением

,

или просто

где - функция Шеннона (функция естественной энтропии)

и является константой, зависящей от единицы измерения и используемого основания логарифма (здесь мы использовали натуральное основание e ). Физическая интерпретация k — это постоянная Больцмана k B .

Пусть — нечеткое множество с непрерывной функцией принадлежности (нечеткая переменная). Тогда

и его энтропия равна

[25] [26]

Расширения

Существует множество математических конструкций, похожих на нечеткие множества или более общих, чем они. С тех пор, как нечеткие множества были введены в 1965 году, было разработано много новых математических конструкций и теорий, трактующих неточность, неточность, неоднозначность и неопределенность. Некоторые из этих конструкций и теорий являются расширениями теории нечетких множеств, в то время как другие пытаются математически моделировать неточность и неопределенность другим способом. [27]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ LA Zadeh (1965) "Нечеткие множества" Архивировано 13 августа 2015 г. в Wayback Machine . Информация и управление 8 (3) 338–353.
  2. ^ Клауа, Д. (1965) Über einen Ansatz zur mehrwertigen Mengenlehre. Монацб. немецкий. Акад. Висс. Берлин 7, 859–876. Недавний углубленный анализ этой статьи был предоставлен Готвальдом С. (2010). «Ранний подход к градуированной идентичности и градуированному членству в теории множеств». Нечеткие множества и системы . 161 (18): 2369–2379. дои : 10.1016/j.fss.2009.12.005.
  3. ^ Д. Дюбуа и Х. Праде (1988) Нечеткие множества и системы. Academic Press, Нью-Йорк.
  4. ^ Лян, Лили Р.; Лу, Шийонг; Ван, Сюэна; Лу, Йи; Мандал, Винай; Патачсил, Доррелин; Кумар, Дипак (2006). "FM-тест: подход на основе теории нечетких множеств к анализу данных о дифференциальной экспрессии генов". BMC Bioinformatics . 7 (Suppl 4): S7. doi : 10.1186/1471-2105-7-S4-S7 . PMC 1780132 . PMID  17217525. 
  5. ^ "AAAI". Архивировано из оригинала 5 августа 2008 года.
  6. ^ abc Ismat Beg, Samina Ashraf: Меры сходства для нечетких множеств, в: Applied and Computational Mathematics, март 2009 г., доступно на Research Gate с 23 ноября 2016 г.
  7. ^ Беллман, Ричард; Гирц, Магнус (1973). «Об аналитическом формализме теории нечетких множеств». Информационные науки . 5 : 149–156. doi :10.1016/0020-0255(73)90009-1.
  8. ^ abcd NR Vemuri, AS Hareesh, MS Srinath: Разность множеств и симметричная разность нечетких множеств, в: Теория нечетких множеств и приложения 2014, Липтовски Ян, Словацкая Республика
  9. ^ Goguen, Joseph A. , 196, " L -нечеткие множества". Журнал математического анализа и приложений 18 : 145–174
  10. ^ Буй Конг Куонг, Владик Крейнович, Роан Тхи Нган: Классификация представимых операторов t-нормы для нечетких множеств изображений, в: Технические отчеты департаментов (CS). Статья 1047, 2016
  11. ^ Тридив Джоти Неог, Дусманта Кумар Сут: Дополнение расширенного нечеткого множества, в: Международный журнал компьютерных приложений (097 5–8887), том 29 № 3, сентябрь 2011 г.
  12. ^ abc Yanase J, Triantaphyllou E (2019). «Систематическое исследование компьютерной диагностики в медицине: прошлое и настоящее». Экспертные системы с приложениями . 138 : 112821. doi : 10.1016/j.eswa.2019.112821. S2CID  199019309.
  13. ^ Smarandache, Florentin (1998). Neutrososophy: Neutrosofic Probability, Set, and Logic: Analytic Synthesis & Synthetic Analysis . American Research Press. ISBN 978-1879585638.
  14. ^ ab Yanase J, Triantaphyllou E (2019). «Семь ключевых проблем будущего компьютерной диагностики в медицине». Международный журнал медицинской информатики . 129 : 413–422. doi : 10.1016/j.ijmedinf.2019.06.017. PMID  31445285. S2CID  198287435.
  15. ^ Ягер, Рональд Р. (июнь 2013 г.). «Пифагорейские нечеткие подмножества». 2013 г. Совместный Всемирный конгресс IFSA и Ежегодное собрание NAFIPS (IFSA/NAFIPS) . стр. 57–61. doi :10.1109/IFSA-NAFIPS.2013.6608375. ISBN 978-1-4799-0348-1. S2CID  36286152. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  16. ^ Ягер, Рональд Р. (2013). «Пифагорейские степени членства в многокритериальном принятии решений». Труды IEEE по нечетким системам . 22 (4): 958–965. doi :10.1109/TFUZZ.2013.2278989. S2CID  37195356.
  17. ^ Ягер, Рональд Р. (декабрь 2015 г.). Свойства и применение пифагорейских нечетких множеств . Springer, Cham. стр. 119–136. ISBN 978-3-319-26302-1.
  18. ^ Зигфрид Готвальд , 2001. Трактат о многозначных логиках . Болдок, Хартфордшир, Англия: Research Studies Press Ltd., ISBN 978-0-86380-262-1 
  19. ^ «Концепция лингвистической переменной и ее применение к приближенным рассуждениям», Информационные науки 8 : 199–249, 301–357; 9 : 43–80.
  20. ^ «Нечеткие множества как основа теории возможностей», Нечеткие множества и системы
  21. ^ JA Goguen «Категории нечетких множеств: приложения неканторовой теории множеств» Докторская диссертация Калифорнийский университет, Беркли, 1968
  22. ^ Майкл Винтер «Категории Гогена: Категориальный подход к L-нечетким отношениям» 2007 Springer ISBN 9781402061639 
  23. ^ ab Майкл Винтер "Теория представлений категорий Гогуэна" Нечеткие множества и системы Том 138, выпуск 1, 16 августа 2003 г., страницы 85–126
  24. ^ Goguen, JA, "L-нечеткие множества". Журнал математического анализа и приложений 18(1):145–174, 1967
  25. ^ Сюэчэн, Лю (1992). «Энтропия, мера расстояния и мера сходства нечетких множеств и их отношений». Нечеткие множества и системы . 52 (3): 305–318. doi :10.1016/0165-0114(92)90239-Z.
  26. ^ Ли, Сян (2015). «Нечеткая кросс - энтропия». Журнал анализа неопределенности и приложений . 3. doi : 10.1186/s40467-015-0029-5 .
  27. ^ Бургин и Чунихин 1997; Керре 2001; Дешрейвер и Керре 2003.

Библиография