Přednáška. Lingvistické proměnné. Fuzzy sady.

Domov 2.9.1. Definice.

Pomocí metod teorie fuzzy množin jsou popsány sémantické pojmy, např. pro pojem „spolehlivost uzlu“ lze definovat takové komponenty jako „malá hodnota spolehlivosti uzlu“, „průměrná hodnota spolehlivosti uzlu“, „velké hodnoty spolehlivosti uzlů“, které jsou specifikovány jako fuzzy množiny na základní množině definované všemi možnými hodnotami hodnot spolehlivosti.

Zobecněním popisu lingvistických proměnných z formálního hlediska je zavedení fuzzy a lingvistických proměnných. N jasná proměnná se nazývá trojice množin, kde A - název fuzzy proměnné, X se nazývá trojice množin, kde.

- doména definice, - fuzzy podmnožina v množině X, popisující omezení možných hodnot proměnné Lingvistická proměnná se nazývá sbírka sad , Kde b - název jazykové proměnné, T(b) , Kde– množina jazykových (verbálních) hodnot proměnné - název fuzzy proměnné,, nazývaný také termín množina lingvistické proměnné, - doména definice, G - syntaktické pravidlo ve formě gramatiky, která generuje jména aÎT(b) , Kde, verbální významy jazykových proměnných M se nazývá trojice množin, kde- sémantické pravidlo, které přiřazuje každé fuzzy proměnné se nazývá trojice množin, kde.

fuzzy množina - význam fuzzy proměnné

Z definice vyplývá, že lingvistická proměnná je proměnná specifikovaná na kvantitativním (měřitelném) měřítku a nabývající hodnot, kterými jsou slova nebo fráze přirozeného jazyka komunikace. Fuzzy proměnné popisují hodnoty lingvistické proměnné. Na Obr. Obrázek 2.20 ukazuje vztah mezi základními pojmy.



Jazykové proměnné tak lze využít k popisu obtížně formalizovatelných pojmů formou kvalitativního, verbálního popisu. Při popisu jazykové proměnné a všech jejích hodnot je spojena s konkrétní kvantitativní škálou, která se analogicky se základním souborem někdy nazývá základní škálou.

Pomocí lingvistických proměnných je možné v systémech řízení formalizovat kvalitativní informace, které verbální formou formulují specialisté (experti). To umožňuje vytvářet fuzzy modely řídicích systémů (fuzzy regulátory). Uvažujme požadavky, které jsou kladeny na typ funkcí příslušnosti fuzzy množin, které popisují termíny lingvistických proměnných.

Nechť lingvistickou proměnnou obsahuje základní sadu termínů T=(Ti),. Fuzzy proměnná odpovídající termínu T i, je dán množinou , kde je fuzzy množina . Pojďme definovat sadu S i jako nositel fuzzy množiny. To budeme předpokládat XÍR 1 se nazývá sbírka sad R 1- uspořádaná množina reálných čísel. Označme spodní hranici množiny - název fuzzy proměnné, přes infX=x 1 a horní hranice je supX=x 2.

Mnoho T uspořádat podle výrazu

"T i,T j ÎT i>j«($xÎC i)("yÎC j)(x>y). (2.5)

Výraz (2.5) vyžaduje, aby výraz, který má podporu umístěnou vlevo, dostal nižší číslo. Potom množina termínů jakékoli jazykové proměnné musí splňovat podmínky:

("T i ÎT)($xÎX)( ); (2.8)

("b)($x 1 ОR 1)($x 2 ОR 2)("xОX)(x 1 . (2.9)

Podmínka (2.6) vyžaduje, aby hodnoty členství fungovaly v extrémních podmínkách (T1 A T 2) v bodech x 1 A x 2 v souladu s tím se rovná jedné a tak, že není dovolen vzhled zvonovitých křivek, jak je znázorněno na obr. 2.21.

Obr.2.21

Podmínka (2.7) v základní sadě zakazuje - název fuzzy proměnné, dvojice pojmů typu T 1 A T 2, T 2 A T 3. Pro pár T 1 A T 2 neexistuje přirozená diferenciace pojmů. Pro pár T 2 A T 3 segment žádný koncept neodpovídá. Podmínka (2.7) zakazuje existenci termínů typu T 4, protože každý koncept má alespoň jeden typický objekt. Podmínka (2.8) určuje fyzické omezení (v rámci problému) na číselné hodnoty parametrů.

Na Obr. Na obrázku 2.22 je příklad upřesnění členských funkcí pojmů „hodnota malé ceny“, „hodnota malé ceny“, „hodnota průměrné ceny“, „dostatečně velká hodnota ceny“, „hodnota velké ceny“ jazykové proměnné „cena produktu“. “.

2.9.3. Univerzální váhy. Členské funkce jsou konstruovány na základě výsledků expertních průzkumů. Postup při použití fuzzy množin konstruovaných na základě výsledků průzkumu odborníků má však nevýhodu, že změna provozních podmínek modelu (objektu) vyžaduje úpravu fuzzy množin. Úpravy lze provést na základě výsledků opakovaného průzkumu odborníků.

Jedním ze způsobů, jak tento nedostatek překonat, je přechod na univerzální váhy pro měření hodnot odhadovaných parametrů. Známá metodologie konstrukce univerzálních škál zahrnuje popis frekvence jevů a procesů, která je na kvalitativní úrovni v přirozeném jazyce určena těmito slovy a frázemi: „nikdy“, „mimořádně zřídka“, „zřídka“, „ani zřídka ani často, „často“, „velmi často“, „téměř vždy“ (nebo podobně). Osoba používá tyto pojmy k posouzení subjektivních frekvencí událostí (poměr počtu událostí charakterizovaných pojmem k celkovému počtu událostí).

Univerzální stupnice je postavena na segmentu a představuje řadu protínajících se křivek ve tvaru zvonu odpovídajících škálovaným odhadům frekvence. Univerzální škála lingvistické proměnné pro daný odhadovaný parametr řídicího objektu je konstruována podle následujícího postupu.

1. Podle odborného průzkumu min xmin a maximální xmax proměnné hodnoty stupnice - název fuzzy proměnné,.

2. Na základě výsledků expertního průzkumu jsou konstruovány funkce příslušnosti fuzzy množin popisující hodnoty lingvistické proměnné definované na škále - název fuzzy proměnné,. Na Obr. Obrázek 2.23 ukazuje příklad konstrukce funkcí příslušnosti, kde a 1, a 2, a 3- některé názvy fuzzy proměnných.

3. Body ( xmin,0) a ( xmax,1) jsou spojeny přímkou p 0, což je mapovací funkce p 0:X®.

4. Přechod od škály relativních četností výskytu událostí k odhadům četnosti, nazývaným kvantifikátory, probíhá následovně.

Za libovolný bod z v univerzálním měřítku je jeho prototyp postaven v měřítku - název fuzzy proměnné,. Poté pomocí funkcí příslušnosti fuzzy množin odpovídajících členům a 1, a 2, a 3, jsou určeny hodnoty, které jsou brány jako hodnoty odpovídajících funkcí členství v bodě z na univerzální stupnici. Funkce p (p=p 0 v uvažovaném příkladu) je stanovena odborným průzkumem, protože jeho volba ovlivňuje přiměřenost modelu ke studovanému objektu.

2.9.4. Více funkcí zobrazení. Jednoznačná definice mapovací funkce p omezit možnost současného zohledňování různých kritérií v řídicím systému, která mohou být vůči sobě i v antagonismu, jakož i možnost současného zohledňování různých podmínek řízení určených vlastnostmi řízeného objektu.

Zohlednění různých podmínek a kritérií je dáno subjektivním přístupem k řešení problému. Pokud přijmeme mapovací funkci jednoznačné formy, pak budou různé úhly pohledu redukovány na „společného jmenovatele“ nebo skutečně odmítnuty. Praxe ukazuje, že při řízení procesů, které je obtížné formalizovat, zohlednění všech variant subjektivních pohledů zlepšuje kvalitu řízení a zvyšuje odolnost vůči různým druhům rušení. Je však třeba poznamenat, že téměř nikdy nelze u lidí zohlednit všechny podmínky, které ovlivňují výběr ovládání a všechny vlastnosti objektu. Uvažujme, jak se provádí formalizované účtování kontrolních podmínek při dotazování odborníků ve formě více mapovacích funkcí.

Složení stavů zkoumaného objektu nechť je kvantitativně a kvalitativně stanoveno z odborných průzkumů. Hodnocení stavů objektů se provádí na základě hodnot atributů y i ОY=(y 1, y 2,…,y p).

Není možné brát v úvahu vše, proto je při posuzování stavů lepší používat fuzzy kategorie a fuzzy definice hodnot parametrů by měly být prováděny s určitou mírou nejistoty ohledně správnosti definic. Ve skutečnosti lze vždy předpokládat, že existuje nějaký soubor znaků , odborníci z různých důvodů neindikovali: byli zapomenuti; odborníci se domnívají, že tyto vlastnosti nemají vliv na přesnost; Tyto parametry nelze posoudit v důsledku technických potíží.

Funkce displeje p i ОP=(p 1 , p 2 ,…, p b ) stupně důvěry se porovnávají b(p i)О, na které se ptají odborníci. Také každá funkce zobrazení p i porovnává se hmotnost a(pí), což odpovídá úrovni odborné způsobilosti odborníka. Hodnoty hmotnosti a(pí) jsou určeny čísly segmentu. Takže funkce vícenásobného mapování P=(p 1 , p 2 ,…, p b ) se skládá ze sady mapovacích funkcí p i, z nichž každý je spojen s titulem g(pi), definovaný jako spojení stupňů kompetence a důvěry ve správné definování mapovacích funkcí p i, tj. g(pi)=a (p i) & b (p i).

Praktické využití vícenásobných funkcí ukázalo, že v rámci určité kompetence odborníků je konstruovaná vícenásobná mapovací funkce v dobré shodě s jejich individuálními názory na co nejvěrohodnější shodu fuzzy pojmů s body na předmětové škále. - název fuzzy proměnné,.


FUZZY LOGIKA

Operace fuzzy AND

Definování fuzzy množin umožňuje zobecnit jasné logické operace na jejich fuzzy analogy. Fuzzy rozšíření operace AND je trojúhelníková norma T, Jiné jméno T– normy jsou S– konorma. Na Obr. 3.1 ukazuje schematické znázornění T-normy.

Operace fuzzy AND v obecné podobě je definována jako mapování:

pro které platí axiomy:

Axiomy okrajových podmínek T- normy:

Axiom uspořádanosti:

V teorii fuzzy množin existuje nespočetné množství fuzzy operací „AND“, které jsou určeny způsoby specifikace operace (T) při splnění podmínek (3.1) - (3.2). V teorii fuzzy řízení jsou použitelné následující metody pro specifikaci operace (T), uvedené níže.

Logický produkt[Zadeh, 1973]:

, "xÎ R. (3.6)

Algebraický součin[Bandler, Kohout, 1980]:

, "xÎ R, (3.7)

Kde "." - součin přijatý v klasické algebře.

Hraniční produkt[Lukashevich, Giles, 1976]:

, (3.8)

kde je symbol hraničního produktu.

Silná nebo drastická (drastická) práce[Weber, 1983]:

(3.9)

kde D je silný symbol produktu.

Na Obr. Obrázek 3.2 ukazuje funkci příslušnosti pro logické, algebraické, hraniční a silné součiny fuzzy množin.

Operace fuzzy OR

Fuzzy rozšíření operace OR je S-norma. Někdy se používá název T– konorma. Na Obr. 3.3 ukazuje schematické znázornění S-normy.

Operace fuzzy OR je definována jako mapování

pro které se mapování provádí:

Axiomy okrajových podmínek T- normy:

, ; (3.10)

Axiomy sjednocení (rekombinace):

Axiom uspořádanosti:

Z nekonečného počtu fuzzy operací, které splňují axiomy (3.10) – (3.14), našly v teorii řízení uplatnění níže uvedené operace.

Logický součet[Zadeh, 1973]:

, "xÎ R. (3.15)

Algebraický součet[Bandler a Kohout, 1980]:

, "xÎ R, (3.16)

Limitní množství[Lukashevich, Giles, 1976]:

, (3.17)

Silné nebo drastické množství[Weber, 1983]:

(3.18)

Srovnání axiomů T–normy s axiomy S-normy ukazuje, že rozdíl mezi nimi spočívá pouze v axiomech okrajových podmínek.

Na Obr. Obrázek 3.4 ukazuje funkci příslušnosti pro logické, algebraické, hraniční a silné součet fuzzy množin.

Fuzzy operace "NOT"

Operace fuzzy „NOT“ je definována jako zobrazení, pro které platí následující axiomy:

Množina zobrazení, která splňují axiomy (3.19) – (3.21) je fuzzy negace. Operace fuzzy negace ve formě diagramu je znázorněna na Obr. 3.5.

Z nekonečného počtu fuzzy operací „NE“, které splňují axiomy (3.19) – (3.21), našly uplatnění v teorii řízení následující operace uvedené níže.

Fuzzy "NE" podle Zadeha(1973) je definováno jako odečítání od jedné:

. (3.22)

Fuzzy "NE" podle Sugena(1977) nebo l-komplement je definován jako

. (3.23)

Na l=0 rovnice (3.23) se shoduje s rovnicí (3.22).

Fuzzy "NE" podle Yagera(1980) je definován jako:

, (3.24)

Kde p>0- parametr. Na p=1 rovnice (3.24) se shoduje s rovnicí (3.22).

Pro T- normy a S- norem, mohou existovat různé verze negací kvůli nekonečnému počtu možných fuzzy operací „NE“. Je však vhodné zvolit možnosti negace, které splňují následující podmínky:

Tyto podmínky, analogicky s jasnou logikou, se nazývají De Morganovy fuzzy zákony. Operace (3.25) a (3.26) se nazývají vzájemně duální, protože v teorii fuzzy množin je dokázáno, že z (3.25) vyplývá (3.26) a naopak z (3.26) vyplývá (3.25).

Následující fuzzy operace jsou také vzájemně duální:

; (3.29)

Fuzzy inferenční algebra

3.4.1. Základ fuzzy pravidel. Ve fuzzy logice existuje pojem fuzzy propozice. Fuzzy věta je definována jako výraz " ". symbol " x" označuje fyzikální veličinu (proud, napětí, tlak, rychlost atd.), symbol " " označuje lingvistickou proměnnou (LP) a symbol " p" - zkratka proposition - návrh. Například ve výroku „velikost proudu je velká“ fyzické proměnné x je "velikost proudu", kterou lze měřit proudovým senzorem. Fuzzy množina je definována „velkým“ LP a formalizována funkcí příslušnosti m A (x). Spojka „je“ odpovídá operaci řazení ve tvaru rovnosti, která je označena symbolem „=“. Přijímá formalizovanou formu věty " » .

Fuzzy věta se může skládat z několika samostatných fuzzy vět spojených navzájem spojovacími výrazy „AND“ a „OR“. Volba logických spojovacích výrazů „AND“, „OR“ závisí na významu a kontextu vět, na vztahu mezi nimi. Všimněte si, že operace fuzzy „AND“ a „OR“ podle Zadeha (vzorce (3.6) a (3.15)) v teorii řízení jsou výhodnější než ostatní, protože nemají žádnou nadbytečnost. Když fuzzy věty nejsou ekvivalentní, ale jsou korelované a propojené, pak je možné použít T- normy a S- normy podle Lukaševiče (vzorce (3.8) a (3.17)).

Nabídka p lze reprezentovat jako fuzzy vztah R s členskou funkcí: . Chcete-li sestavit fuzzy větu složenou z několika samostatných fuzzy vět spojených spojovacími výrazy „AND“, použijte indikátor „if“. Výsledkem je systém podmíněných fuzzy příkazů:

.

Fuzzy věty se nazývají podmínky nebo předpoklady.

Sada podmínek umožňuje vytvořit sadu závěry nebo závěry. V tomto případě se používá indikátor „pak“.

Produkční fuzzy pravidlo(fuzzy pravidlo) je soubor podmínek a závěrů:

R1: jestliže x 1 = a x 2 = a..., pak y 1 = a y2= A…

……………………………………………………………,

kde je symbol R 1– zkratka „rule“ - pravidlo.

Například pravidlo pro řízení teploty vody je formulováno takto: „ R 1: pokud je teplota vody studená a teplota vzduchu je studená, otočte ventil horké vody doleva do velkého úhlu a ventil studené vody doprava do velkého úhlu."

Fuzzy podmínky pro řešení problému:

-x 1- teplota vody (měřená čidlem); - studený;

-x 2- teplota vzduchu (měřená čidlem); - studený;

Podmínky fuzzy inference:

-y 1- úhel natočení ventilu doleva je velký;

-y 2- úhel natočení ventilu doprava je velký.

Toto lingvistické fuzzy pravidlo odpovídá formalizovanému zápisu:

R1: jestliže x 1 = a x 2 = , pak y 1 = a y2= , (3.31)

Kde , , a – fuzzy množiny definované funkcemi příslušnosti.

Množina fuzzy produkčních pravidel tvoří základ fuzzy pravidel, kde R i: když..., tak...;. Pro základ fuzzy pravidel platí následující vlastnosti: spojitost, konzistence, úplnost.

Spojitost je definována následujícími pojmy: uspořádaná kolekce fuzzy množin; sousední fuzzy množiny.

Kolekce fuzzy množin (Ai) volal spořádaný, pokud je u nich uveden objednávkový vztah: «<»:A 1 <…

Je-li kolekce fuzzy množin { } je objednáno, pak jsou volány sady a , a sousední za předpokladu, že se tyto fuzzy množiny překrývají.

Základem fuzzy pravidel je tzv kontinuální, pokud pro pravidla

R k: jestliže x 1 = a x 2 = , pak y= a k'¹k

jsou splněny podmínky:

Ù a jsou přilehlé;

Ù a jsou přilehlé;

- a sousedí.

Zvažme konzistenci báze fuzzy pravidel na příkladu. Základ fuzzy pravidel pro ovládání robota je uveden ve tvaru:

………………………………….

R i: pokud je před vámi překážka, jděte doleva,

R i +1: pokud je před vámi překážka, pohněte se doprava,

……………………………………

Základ pravidel je nekonzistentní.

Příklad konzistentní báze fuzzy pravidel je následující:

R1: jestliže x 1 = nebo x 2 = , pak y= ;

R2: jestliže x 1 = nebo x 2 = , pak y= ;

R3: jestliže x 1 = nebo x 2 = , pak y= .

Pokud pravidla obsahují dvě podmínky a jeden výstup, pak tato pravidla představují systém se dvěma vstupy x 1 A x 2 a jeden východ y. Tento systém lze prezentovat v maticové formě:

x 2 x 1
y=
y=
y=

Základ fuzzy pravidel je konzistentní.

Připomeňme, že lingvistická proměnná je proměnná, která přebírá hodnoty ze sady slov nebo frází nějakého přirozeného nebo umělého jazyka. Množina přípustných hodnot lingvistické proměnné se nazývá množina termínů. Nastavení hodnoty proměnné slovy, bez použití čísel, je pro člověka přirozenější. Každý den se rozhodujeme na základě jazykových informací, jako jsou: „velmi vysoká teplota“; "dlouhá cesta"; "rychlá reakce"; "krásná kytice"; „harmonická chuť“ atd. Psychologové zjistili, že v lidském mozku jsou téměř všechny číselné informace verbálně překódovány a uloženy ve formě lingvistických termínů. Koncept lingvistické proměnné hraje důležitou roli ve fuzzy inferenci a rozhodování na základě přibližné úvahy. Formálně je lingvistická proměnná definována následovně.

Definice 44.Lingvistická proměnná je dáno pěti, kde -; název proměnné; - ; term-set, jehož každý prvek (term) je reprezentován jako fuzzy množina na univerzální množině; - ; syntaktická pravidla, často ve formě gramatiky, z nichž vznikají názvy termínů; - ; sémantická pravidla, která specifikují funkce příslušnosti fuzzy termínů generovaných syntaktickými pravidly.

Příklad 9. Uvažujme lingvistickou proměnnou zvanou "pokojová teplota". Poté lze zbývající čtyři definovat takto:

Tabulka 4 - Pravidla pro výpočet členských funkcí

Grafy členských funkcí pojmů „studený“, „nepříliš studený“, „pohodlný“, „více či méně pohodlný“, „horký“ a „velmi horký“ jazykové proměnné „teplota místnosti“ jsou na Obr. 13.

Obrázek 13 - Lingvistická proměnná "pokojová teplota"

Nejasná pravda

Zvláštní místo ve fuzzy logice zaujímá lingvistická proměnná „pravda“. V klasické logice může mít pravda pouze dva významy: pravdivý a nepravdivý. Ve fuzzy logice je pravda "fuzzy". Fuzzy pravda je definována axiomaticky a různí autoři to dělají různými způsoby. Interval se používá jako univerzální množina k definování jazykové proměnné „pravda“. Obyčejná, jasná pravda může být reprezentována fuzzy singletonovými množinami. V tomto případě bude jasné koncepci skutečně odpovídat funkci členství a jasný koncept je nepravdivý -; , .

Aby Zadeh definoval nejasnou pravdu, navrhl pro výrazy „pravda“ a „nepravda“ následující funkce členství:

;

Kde - ; parametr, který určuje nositele fuzzy množin „true“ a „false“. Pro fuzzy množinu „true“ bude nosná interval , a pro fuzzy množinu „false“ - ;

Funkce příslušnosti fuzzy termínů „pravda“ a „nepravda“ jsou znázorněny na obr. 14. Jsou sestaveny s hodnotou parametru . Jak vidíte, grafy funkcí členství výrazů „pravda“ a „nepravda“ jsou zrcadlové obrazy.

Obrázek 14 – Jazyková proměnná „pravda“ podle Zadeha

Pro definování fuzzy pravdy navrhl Baldwin následující funkce členství pro fuzzy „pravda“ a „nepravda“:

Kvantifikátory „více či méně“ a „velmi“ se často aplikují na fuzzy množiny „pravda“ a „nepravda“, čímž se získávají výrazy „velmi nepravdivé“, „více či méně nepravdivé“, „víceméně pravdivé“, „ velmi pravdivé“, „velmi, velmi pravdivé“, „velmi, velmi nepravdivé“ atd. Funkce příslušnosti nových členů se získá provedením operací koncentrace a roztažení fuzzy množin „pravda“ a „nepravda“. Operace koncentrace odpovídá kvadratuře funkce členství a operace protahování odpovídá jejímu zvýšení na mocninu ½. V důsledku toho jsou funkce členství výrazů „velmi, velmi nepravdivé“, „velmi nepravdivé“, „víceméně nepravdivé“, „víceméně pravdivé“, „pravda“, „velmi pravdivé“ a „velmi, velmi pravdivé“ dán následovně.

Formalizace fuzzy pojmů a vztahů v přirozeném jazyce je možná na základě pojmů fuzzy a lingvistických proměnných.

fuzzy proměnná nazývaná n-tice C>, kde X je název proměnné; U - univerzální množina (doména proměnné X); C- fuzzy množina na U, popisující fuzzy omezení hodnot proměnné x.

Mnoho C popisuje sémantiku fuzzy proměnné a často se nazývá funkce kompatibility fuzzy proměnné. Proměnná u je základní proměnná pro X. Mnoho C určuje, do jaké míry prvek x odpovídá hodnotě u. Hodnoty fuzzy proměnné jsou čísla.

Příklad. Fuzzy proměnná X, nazývaná "vysoký muž". Položme U = (170-200) a C definujme to takto:

Graf této funkce kompatibility je na obr. 2.13.

Lingvistická proměnná nazývaná n-tice M>, kde X je název proměnné; T(X) je množina termínů, která definuje názvy lingvistických hodnot X z univerzální množiny U; G - syntaktická pravidla popisující proces získávání nových hodnot lingvistické proměnné; M- sémantické pravidlo, které umožňuje přiřadit každé fuzzy proměnné X její význam M(X).

Lingvistická proměnná je proměnná vyššího řádu než fuzzy proměnná, protože hodnoty lingvistické proměnné jsou fuzzy proměnné.

Existují numerické a nenumerické lingvistické proměnné. Lingvistická proměnná se nazývá numerická, jestliže její definiční obor U je podmnožinou R 1, tzn. z množiny reálných čísel. Hodnoty numerické lingvistické proměnné se nazývají fuzzy čísla.

Příklad. Numerickou lingvistickou proměnnou „SPOLEHLIVOST“ lze popsat takto:

< НАДЕЖНОСТЬ, T, , G, M >

kde T = (velmi nízké, nízké, střední, vysoké, velmi vysoké); G - postup pro výčet prvků z T; M- omezení podmíněná hodnotami z T a určující význam jazykových významů. Zejména, M lze vybrat takto:

M[velmi nízké]

M[nízký]

M[střední]

M[vysoký]

M[velmi vysoká]

Příkladem nenumerické lingvistické proměnné je proměnná BEAUTIFUL, která formalizuje pojem „krásné město“ s významy „nepříliš krásné“, „krásné“, „velmi krásné“, „velmi, velmi krásné“ atd.

V následujícím budeme uvažovat pouze numerické lingvistické proměnné.

Generování prvků z T(X) je možné dvěma způsoby: zobrazením prvků množiny termínů a implementací určitého algoritmu. Pokud je množina členů T(X) a funkce M lze nastavit algoritmicky, pak se taková jazyková proměnná nazývá strukturovaná.


Zvažme jeden z možných způsobů, jak algoritmicky specifikovat syntaktické G a sémantické M pravidla spojená s danou jazykovou proměnnou. K tomu identifikujme slova: „nebo“, „a“, „ne“, „velmi“ s jednotlivými operacemi na fuzzy množinách takto:

"nebo" je odborová operace; "a" - provoz na křižovatce;

"ne" je operace užívání doplňku;

„velmi“ je operace koncentrace.

Nyní, když máme pouze malý soubor primárních termínů, je možné analyticky zapisovat poměrně složité lingvistické konstrukce. Vezměme si například jazykovou proměnnou „VÁHA“ na množině lidí. Jako primární termíny volíme termíny „lehký“ T 1 a „těžký“ T 2 . Potom výraz „nepříliš lehký a málo těžký“ lze napsat následovně: ù(T 1 2) Ç ù(T 2 2) a „velmi, velmi, velmi těžký“ - (T 2 3) atd.

Význam jazykového významu „snadný“ nechť určí výraz

M(snadný)

a význam „těžkého“ je výraz:

M(těžký)

Potom je výrazem dána hodnota „není moc těžký“.

M(ne moc těžký)

S.D.Shtovba "Úvod do teorie fuzzy množin a fuzzy logiky"

1.7. Fuzzy logika

Fuzzy logika je zobecněním tradiční aristotelské logiky na případ, kdy je pravda považována za lingvistickou proměnnou, která nabývá hodnot jako: „velmi pravdivé“, „víceméně pravdivé“, „ne příliš nepravdivé“ atd. Uvedené lingvistické významy jsou reprezentovány fuzzy množinami.

1.7.1. Lingvistické proměnné

Připomeňme, že lingvistická proměnná je proměnná, která přebírá hodnoty ze sady slov nebo frází nějakého přirozeného nebo umělého jazyka. Množina přípustných hodnot lingvistické proměnné se nazývá množina termínů. Nastavení hodnoty proměnné slovy, bez použití čísel, je pro člověka přirozenější. Každý den se rozhodujeme na základě jazykových informací, jako jsou: „velmi vysoká teplota“; "dlouhá cesta"; "rychlá reakce"; "krásná kytice"; „harmonická chuť“ atd. Psychologové zjistili, že v lidském mozku jsou téměř všechny číselné informace verbálně překódovány a uloženy ve formě lingvistických termínů. Koncept lingvistické proměnné hraje důležitou roli ve fuzzy inferenci a rozhodování na základě přibližné úvahy. Formálně je lingvistická proměnná definována následovně.

Definice 44.Lingvistická proměnná je dáno pěti, kde -; název proměnné; - ; term-set, jehož každý prvek (term) je reprezentován jako fuzzy množina na univerzální množině; - ; syntaktická pravidla, často ve formě gramatiky, z nichž vznikají názvy termínů; - ; sémantická pravidla, která specifikují funkce příslušnosti fuzzy termínů generovaných syntaktickými pravidly.

Příklad 9. Uvažujme lingvistickou proměnnou zvanou "pokojová teplota". Poté lze zbývající čtyři definovat takto:

Tabulka 4 - Pravidla pro výpočet členských funkcí

Grafy členských funkcí pojmů „studený“, „nepříliš studený“, „pohodlný“, „více či méně pohodlný“, „horký“ a „velmi horký“ jazykové proměnné „teplota místnosti“ jsou na Obr. 13.

Obrázek 13 - Lingvistická proměnná "pokojová teplota"

1.7.2. Nejasná pravda

Zvláštní místo ve fuzzy logice zaujímá lingvistická proměnná „pravda“. V klasické logice může mít pravda pouze dva významy: pravdivý a nepravdivý. Ve fuzzy logice je pravda "fuzzy". Fuzzy pravda je definována axiomaticky a různí autoři to dělají různými způsoby. Interval se používá jako univerzální množina k definování jazykové proměnné „pravda“. Obyčejná, jasná pravda může být reprezentována fuzzy singletonovými množinami. V tomto případě bude jasné koncepci skutečně odpovídat funkci členství a jasný koncept je nepravdivý -; , .

Aby Zadeh definoval nejasnou pravdu, navrhl pro výrazy „pravda“ a „nepravda“ následující funkce členství:

;

Kde - ; parametr, který určuje nositele fuzzy množin „true“ a „false“. Pro fuzzy množinu „true“ bude nosná interval , a pro fuzzy množinu „false“ - ;

Funkce příslušnosti fuzzy termínů „pravda“ a „nepravda“ jsou znázorněny na obr. 14. Jsou sestaveny s hodnotou parametru . Jak vidíte, grafy funkcí členství výrazů „pravda“ a „nepravda“ jsou zrcadlové obrazy.

Obrázek 14 – Jazyková proměnná „pravda“ podle Zadeha

Pro definování fuzzy pravdy navrhl Baldwin následující funkce členství pro fuzzy „pravda“ a „nepravda“:

Kvantifikátory „více či méně“ a „velmi“ se často aplikují na fuzzy množiny „pravda“ a „nepravda“, čímž se získávají výrazy „velmi nepravdivé“, „více či méně nepravdivé“, „víceméně pravdivé“, „ velmi pravdivé“, „velmi, velmi pravdivé“, „velmi, velmi nepravdivé“ atd. Funkce příslušnosti nových členů se získá provedením operací koncentrace a roztažení fuzzy množin „pravda“ a „nepravda“. Operace koncentrace odpovídá kvadratuře funkce členství a operace protahování odpovídá jejímu zvýšení na mocninu ½. V důsledku toho jsou funkce členství výrazů „velmi, velmi nepravdivé“, „velmi nepravdivé“, „víceméně nepravdivé“, „víceméně pravdivé“, „pravda“, „velmi pravdivé“ a „velmi, velmi pravdivé“ dán takto:

Grafy funkcí příslušnosti těchto pojmů jsou na Obr. 15.

Obrázek 15 – Lingvistická proměnná „pravda“ podle Baldwina

1.7.3. Fuzzy logické operace

Nejprve si krátce připomeňme základní principy obyčejné (booleovské) logiky. Uvažujme dva výroky A a B, z nichž každý může být pravdivý nebo nepravdivý, tzn. nabývat hodnot "1" nebo "0". Pro tyto dva výroky celkem existují různé logické operace, z nichž pouze pět je smysluplně interpretováno: AND (), OR (), exkluzivní OR (), implikace () a ekvivalence (). Pravdivostní tabulky pro tyto operace jsou uvedeny v tabulce. 5.

Tabulka 5 - Pravdivé tabulky booleovské logiky

Předpokládejme, že logické tvrzení může mít ne dvě pravdivostní hodnoty, ale tři, například: „pravda“, „nepravda“ a „nejistá“. V tomto případě se nebudeme zabývat dvouhodnotovou, ale tříhodnotovou logikou. Celkový počet binárních operací, a tedy pravdivostních tabulek, v trojhodnotové logice je roven . Fuzzy logika je typ vícehodnotové logiky, ve které jsou pravdivostní hodnoty specifikovány lingvistickými proměnnými nebo termíny lingvistické proměnné „pravda“. Pravidla pro provádění fuzzy logických operací jsou získávána z booleovských logických operací pomocí principu zobecnění.

Definice 45. Označme fuzzy logické proměnné a a funkce příslušnosti, které specifikují pravdivostní hodnoty těchto proměnných, a,. Fuzzy logické operace AND(), NEBO(),
NOT () a implikace () se provádějí podle následujících pravidel:

;

Ve vícehodnotové logice mohou být logické operace specifikovány pravdivostními tabulkami. Ve fuzzy logice může být počet možných pravdivostních hodnot nekonečný, proto je obecně tabulková reprezentace logických operací nemožná. V tabulkové formě je však možné prezentovat fuzzy logické operace pro omezený počet pravdivostních hodnot, například pro množinu termínů („pravda“, „velmi pravdivá“, „nepravda“, „víceméně nepravda“, "falešný"). Pro trojhodnotovou logiku s fuzzy pravdivostními hodnotami T - ; "pravda", F -; „false“ a T+F – „unknown“ L Zade navrhl následující tabulky lingvistické pravdy:

Aplikací pravidel pro provádění fuzzy logických operací z Definice 45 je možné rozšířit pravdivostní tabulky pro větší počet termínů. Podívejme se, jak to provést pomocí následujícího příkladu.

Příklad 10. Jsou uvedeny následující hodnoty fuzzy pravdivosti:

Aplikováním pravidla z Definice 45 zjistíme nejasnou pravdivost výrazu „téměř pravda NEBO pravda“:

Porovnejme výslednou fuzzy množinu s „víceméně pravdivou“ fuzzy množinou. Jsou téměř stejné, což znamená:

V důsledku provádění logických operací se často získá fuzzy množina, která není ekvivalentní žádné z dříve zavedených fuzzy pravdivostních hodnot. V tomto případě je nutné mezi fuzzy pravdivostními hodnotami najít takovou, která v maximální míře odpovídá výsledku fuzzy logické operace. Jinými slovy, je nutné provést tzv lingvistické přiblížení, kterou lze považovat za obdobu aproximace empirického statistického rozdělení se standardními distribučními funkcemi náhodných veličin. Jako příklad uvádíme tabulky lingvistické pravdy navržené Baldwinem pro ty, které jsou na obr. 15 fuzzy pravdivostních hodnot:

vágní

vágní

vágní

vágní

vágní

vágní

vágní

vágní

velmi pravdivé

velmi pravdivé

víceméně pravdivé

víceméně pravdivé

1.7.3. Fuzzy znalostní báze

Definice 46.Fuzzy znalostní báze je soubor fuzzy pravidel „když-pak“, která určují vztah mezi vstupy a výstupy studovaného objektu. Obecný formát fuzzy pravidel je:

Lipravidla balíčku,Žezávěr pravidla.

Předpokladem pravidla nebo předchůdce je tvrzení jako „x je nízké“, kde „nízké“ je termín (lingvistický význam) definovaný fuzzy množinou na univerzální množině jazykové proměnné x. Kvantifikátory „velmi“, „více či méně“, „ne“, „téměř“ atd. lze použít k úpravě předchozích termínů.

Závěrem nebo důsledkem pravidla je výrok jako „y je d“, ve kterém může být uvedena hodnota výstupní proměnné (d):

  1. fuzzy termín: „y je vysoké“;
  2. třída řešení: „máte bronchitidu“
  3. jasná konstanta: "y=5";
  4. jasná funkce vstupních proměnných: "y=5+4*x".

Pokud je hodnota výstupní proměnné v pravidle specifikována fuzzy množinou, pak může být pravidlo reprezentováno fuzzy relací. Pro fuzzy pravidlo „Je-li x, pak y je“, je fuzzy vztah specifikován na kartézském součinu, kde -; univerzální množina vstupní (výstupní) proměnné. K výpočtu fuzzy vztahu lze použít fuzzy implikaci a t-normu. Při použití operace nalezení minima jako t-normy se výpočet fuzzy vztahu provede následovně:

Příklad 11. Následující fuzzy znalostní báze popisuje vztah mezi věkem řidiče (x) a možností dopravní nehody (y):

Lix = mladý,Žey = vysoká;

Lix = průměr,Žey = nízké;

Lix = velmi starý,Žey = vysoká.

Nechť mají členské funkce termínů tvar znázorněný na Obr. 16. Potom budou fuzzy vztahy odpovídající pravidlům znalostní báze jako na Obr. 17.

Obrázek 16 - Funkce termínového členství

Obrázek 17 - Fuzzy vztahy odpovídající pravidlům znalostní báze z příkladu 11

Pro specifikaci vícerozměrných vstupně-výstupních závislostí se používají fuzzy logické operace AND a OR. Pravidla je vhodné formulovat tak, že v rámci každého pravidla jsou proměnné kombinovány pomocí logické operace AND a pravidla ve znalostní bázi se spojují pomocí operace OR. V tomto případě fuzzy znalostní báze spojující vstupy s výstupem , může být reprezentován v následujícím tvaru.

V naší neformální diskusi o konceptu jazykové proměnné v §1 jsme uvedli, že jazyková proměnná se liší od numerické proměnné tím, že jejími hodnotami nejsou čísla, ale slova nebo věty v přirozeném nebo formálním jazyce. Protože slova jsou obecně méně přesná než čísla, koncept lingvistické proměnné umožňuje aproximovat jevy, které jsou tak složité, že je nelze popsat konvenčními kvantitativními termíny. Zejména fuzzy množinu, která je omezením spojeným s hodnotami lingvistické proměnné, lze považovat za kolektivní charakteristiku různých podtříd prvků univerzální množiny. V tomto smyslu je role fuzzy množin podobná roli, kterou hrají slova a věty v přirozeném jazyce. Například přídavné jméno Krásný odráží komplex charakteristik vzhledu jedince. Toto přídavné jméno lze také považovat za název fuzzy množiny, což je omezení uložené fuzzy proměnnou Krásný. Z tohoto pohledu termíny velmi krásné, škaredý, nesmírně krásné, docela krásné atd. - názvy fuzzy množin vzniklé působením modifikátorů Velmi, Ne, velmi, docela atd. na fuzzy množině Krásný. V podstatě tyto fuzzy množiny spolu s krásnou fuzzy množinou hrají roli hodnot lingvistické proměnné Vzhled.

Důležitým aspektem konceptu lingvistické proměnné je, že se jedná o proměnnou vyššího řádu než fuzzy proměnná v tom smyslu, že hodnoty lingvistické proměnné jsou fuzzy proměnné. Například hodnoty jazykové proměnné Stáří může být: mladý, střední, starý, velmi starý, střední a ne starý, docela starý atd. Každá z těchto hodnot je název fuzzy proměnné. Pokud je název fuzzy proměnné, pak omezení uložené tímto názvem lze interpretovat jako význam fuzzy proměnné. Takže, pokud je omezení kvůli fuzzy proměnné starý, je fuzzy podmnožina množiny formuláře

, , (5.1)

Dalším důležitým aspektem konceptu jazykové proměnné je, že jazyková proměnná odpovídá dvěma pravidlům: (1) syntaktickému pravidlu, které může být dáno ve formě gramatiky, která generuje názvy hodnot proměnné; (2) sémantické pravidlo, které specifikuje algoritmický postup pro výpočet významu každé hodnoty. Tato pravidla tvoří podstatnou část popisu struktury jazykové proměnné.

Rýže. 5.1. Funkce kompatibility pro hodnoty a .

Protože lingvistická proměnná je proměnná vyššího řádu než fuzzy proměnná, její popis by měl být složitější než popis fuzzy proměnné uvedený v definici 4.1.

Definice 5.1. Jazyková proměnná je charakterizována množinou , ve kterém je název proměnné; (nebo jednoduše) označuje množinu termínů proměnné, tj. množinu názvů jazykových hodnot proměnné, přičemž každá z těchto hodnot je fuzzy proměnná s hodnotami z univerzální množiny se základní proměnnou ;

(5.2)

- syntaktické pravidlo (obvykle ve formě gramatiky), které generuje názvy hodnot proměnné, a - sémantické pravidlo, které přiřazuje každé fuzzy proměnné její význam, tedy fuzzy podmnožinu univerzální množiny. Konkrétní jméno generované syntaktickým pravidlem se nazývá termín. Termín skládající se z jednoho slova nebo několika slov, která se vždy vyskytují společně, se nazývá atomární termín. Termín sestávající z jednoho nebo více atomárních termínů se nazývá složený termín. Zřetězení některých složek složeného termínu je podtermin. Pokud jsou výrazy v , pak mohou být reprezentovány jako odbor

Pokud je potřeba výslovně uvést, co bylo gramatikou vygenerováno, napíšeme .

, (5.3)

Význam termínu je definován jako omezení na základní proměnnou podmíněné fuzzy proměnnou:

mít na paměti, že a proto může být považován za fuzzy podmnožinu množiny s názvem . Vztah mezi jeho lingvistickým významem a základní proměnnou je znázorněn na Obr. 1.3. Poznámka 5.2.

a) Symbolem budeme často označovat jak název samotné proměnné, tak obecný název jejích hodnot. Podobně bude označovat jak obecný název hodnot proměnné, tak název samotné proměnné.

b) Stejným symbolem budeme označovat množinu a její název. Symboly a budou tedy zaměnitelné, i když přísně vzato, jako jméno (nebo) není totéž jako fuzzy množina. Jinými slovy, když řekneme, že termín (např. mladý) existuje proměnná hodnota (např. Stáří), pak máme na mysli, že skutečná hodnota je a je pouze názvem této hodnoty.

Příklad 5.3. Stáří, tj. , a nechat . Lingvistický význam proměnné Stáří možná např. starý a hodnotu starý je atomární termín. Jiný význam by mohl být velmi starý, tedy složený výraz, ve kterém starý - atomový termín a Velmi A starý- podtermíny.

Význam víceméně mladý variabilní věk - složený výraz, ve kterém výraz mladý - atomové a víceméně- subterm. Termín sada proměnné Stáří lze napsat následovně:

(5.4)

Zde je každý termín názvem fuzzy proměnné v univerzální množině. Omezení, které tento termín ukládá, je řekněme významem lingvistického významu starý. Je-li tedy určeno podle (5.1), pak význam jazykového významu starý je určeno výrazem

, (5.5)

nebo jednodušší (viz poznámka 5.2)

. (5.6)

Podobně význam takového lingvistického významu jako velmi starý, lze vyjádřit následovně (viz obr. 5.1):

Přiřazovací rovnice v případě jazykové proměnné má tvar

z čehož vyplývá, že význam přiřazený pojmu je vyjádřen rovností

Jinými slovy, význam termínu se získá aplikací sémantického pravidla na význam termínu přiřazeného podle pravé strany rovnice (5.8). Navíc z definice (5.3) vyplývá, že je totožná s omezením kvůli pojmu .

Poznámka 5.4. V souladu s poznámkou 5.2(a) bude rovnice přiřazení obvykle zapsána jako

, (5.10)

chápat to tak, že starý- omezení na hodnoty základní proměnné, definované (5.1), - přiřazené k jazykové proměnné Stáří. Je důležité poznamenat, že rovnítko v (5.10) neoznačuje symetrický vztah jako v případě aritmetické rovnosti. Nemá tedy smysl psát (5.11) do formuláře

Pro ilustraci konceptu lingvistické proměnné nejprve uvažujme velmi jednoduchý příklad, který obsahuje pouze malý počet termínů a syntaktická a sémantická pravidla jsou triviální.

Příklad 5.5. Zvažte lingvistickou proměnnou Číslo, jehož konečná množina členů má tvar

kde každý výraz představuje omezení hodnot základní proměnné v univerzální množině

Předpokládá se, že tato omezení jsou fuzzy podmnožiny množiny a jsou definována takto:

, (5.15) s binárním omezením přibližně stejné.

Chcete-li přiřadit hodnotu, řekněme přibližně stejné jazyková proměnná, píšeme

kde jako v (5.18) to znamená, že binární fuzzy relace je přiřazena jako hodnota proměnné přibližně stejné, což je binární omezení hodnot základní proměnné v univerzální množině (5.20).

Rýže. 5.2. Kobercová analogie pro lingvistickou proměnnou

Poznámka 5.7. Pomocí analogie cestovní tašky (viz poznámka 4.3) lze jazykovou proměnnou ve smyslu definice 5.1 přirovnat k tvrdé cestovní tašce, do které lze vložit měkké cestovní tašky, jak je znázorněno na obr. 5.2. Měkká taška odpovídá fuzzy proměnné, což je lingvistická hodnota proměnné , a hraje roli štítku na měkké tašce.




Nahoru