В сочетании слов "нечеткий" и "логика" есть что-то необычное. Логика в обычном смысле слова есть представление механизмов мышления, - polpoz.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
В сочетании слов "нечеткий" и "логика" есть что-то необычное. Логика в обычном смысле - страница №1/1

Нечеткая логика

В сочетании слов "нечеткий" и "логика" есть что-то необычное. Логика в обычном смысле слова есть представление механизмов мышления, то, что никогда не может быть нечетким, но всегда строгим и формальным. Однако математики, исследовавшие эти механизмы мышления, заметили, что в действительности существует не одна логика (например, булева), а столько, сколько мы пожелаем, потому что все определяется выбором соответствующей системы аксиом. Конечно, как только аксиомы выбраны, все утверждения, построенные на их основе, должны быть строго, без противоречий увязаны друг с другом согласно правилам, установленным в этой системе аксиом.

Человеческое мышление — это совмещение интуиции и строгости, которое, с одной стороны, рассматривает мир в целом или по аналогии, а с другой стороны — логически и последовательно и, значит, представляет собой нечеткий механизм. Законы мышления, которые мы захотели бы включить в программы компьютеров, должны быть обязательно формальными; законы мышления, проявляемые в диалоге человека с человеком — нечеткие. Можем ли мы поэтому утверждать, что нечеткая логика может быть хорошо приспособлена к человеческому диалогу? Да — если математическое обеспечение, разработанное с учетом нечеткой логики, станет операционным и сможет быть технически реализовано, то человеко-машинное общение станет намного более удобным, быстрым и лучше приспособленным к решению проблем.

Термин "нечеткая логика" используется обычно в двух различных значениях. В узком смысле, нечеткая логика — это логическое исчисление, являющееся расширением многозначной логики. В ее широком смысле, который сегодня является преобладающим в использовании, нечеткая логика равнозначна теории нечетких множеств. С этой точки зрения, нечеткая логика в узком смысле является разделом нечеткой логики в широком смысле.

Определение. Любая нечеткая переменная характеризуется тройкой

где — название переменной, — универсальное множество, — нечеткое подмножество множества , представляющее собой нечеткое ограничение на значение переменной , обусловленное .

Используя аналогию с саквояжем, нечеткую переменную можно уподобить саквояжу с ярлыком, имеющим "мягкие" стенки. Тогда — надпись на ярлыке (название саквояжа), — список предметов, которые в принципе можно поместить в саквояж, а — часть этого списка, где для каждого предмета указано число , характеризующее степень легкости, с которой предмет можно поместить в саквояж .

Рассмотрим теперь различные подходы к определению основных операций над нечеткими переменными, а именно конъюнкции, дизъюнкции и отрицания. Данные операции являются основными для нечеткой логики в том смысле, что все ее конструкции основываются на этих операциях. В настоящее время в нечеткой логике в качестве операций конъюнкции и дизъюнкции широко используют -нормы и -конормы, пришедшие в нечеткую логику из теории вероятностных метрических пространств. Они достаточно хорошо изучены и лежат в основе многих формальных построений нечеткой логики. В то же время расширение области приложений нечеткой логики и возможностей нечеткого моделирования вызывает необходимость обобщения этих операций. Одно направление связано с ослаблением их аксиоматики с целью расширения инструментария нечеткого моделирования. Другое направление обобщения операций конъюнкции и дизъюнкции нечеткой логики связано с заменой множества значений принадлежности на линейно или частично упорядоченное множество лингвистических оценок правдоподобности. Эти обобщения основных операций нечеткой логики, с одной стороны, вызываются необходимостью разработки экспертных систем, в которых значения истинности фактов и правил описываются экспертом или пользователем непосредственно в лингвистической шкале и носят качественный характер. С другой стороны, такие обобщения вызываются смещением направления активного развития нечеткой логики от моделирования количественных процессов, поддающихся измерению, к моделированию процессов мышления человека, где восприятие мира и принятие решений происходит на основе гранулирования информации и вычисления словами.

Естественным обобщением иволютивных операций отрицания нечеткой логики являются неиволютивные отрицания. Они представляют самостоятельный интерес и рассматриваются в нечеткой и других неклассических логиках. Необходимость исследования подобных операций отрицания вызывается также введением в рассмотрение обобщенных операций конъюнкции и дизъюнкции, связанных друг с другом с помощью операции отрицания.



Операции отрицания


Пусть множество значений функций принадлежности является линейно упорядоченным множеством с наименьшим 0 и наибольшим 1 элементами. Примером может служить интервал вещественных чисел , шкала лингвистических оценок (например, L={"неправдоподобно", "малоправдоподобно", "средняя правдоподобность", "большая правдоподобность", "наверняка"}, шкала балльных оценок и др.

Определение. Операцией отрицания на называется функция , удовлетворяющая следующим условиям:

(О1) ;

(O2) .

В зависимости от выполнения на дополнительных условий, рассматриваются следующие типы отрицаний:



  • Строгое отрицание: ;

  • Квазистрогое отрицание: ;

  • Инволюция: ;

  • Обычное отрицание: ;

  • Слабое отрицание: .

Слабое отрицание называется также интуиционистским отрицанием. Элемент из будет называться иволютивным элементом, если , в противном случае он будет называться неиволютивным. Отрицание будет называться неиволютивным, если содержит неиволютивные по этому отрицанию элементы.

Элемент , удовлетворяющий условию , называется фиксированной точкой. Этот элемент будет центральным элементом (фокусом) . Очевидно, что если фиксированная точка существует, то она единственна.

Отрицание называется сжимающим в точке , если выполнено условие

Отрицание называется сжимающим на , если оно сжимающее в каждой точке множества .

Отрицание называется разжимающим в точке , если выполнено условие

Отрицание называется разжимающим на , если оно является разжимающим в каждой точке множества .



Теорема Для любого отрицания любая точка является либо сжимающей, либо разжимающей.

Доказательство Пусть , тогда из условия (О2) получим , откуда следует либо , либо . Аналогично, из получаем , и, следовательно, либо , либо

Следствие Элемент является иволютивным тогда и только тогда, если он одновременно сжимающий и разжимающий.

Используя математические методы, можно доказать, что элементы, порождаемые сжимающими и разжимающими отрицаниями в точках, представляют собой спирали, соответственно "закручиваемые внутрь" или "раскручиваемые наружу". Эти спирали либо бесконечные, либо в конечном случае имеют петлю на конце, состоящую из двух элементов, которые для сжимающих отрицаний могут совпадать, образуя неподвижную точку отрицания. Спирали, порождаемые разными элементами, либо вложены друг в друга, либо совпадают, начиная с некоторого элемента.

На рис. 8.1 даны примеры сжимающего и разжимающего в точке отрицания. Элементы представлены вершинами соответствующего графа и упорядочены снизу вверх, в частности, . Элементы y порождаются элементами так, что для рис. 8.1(А) и для рис. 8.1(Б).


Рис. 8.1. 

Рассмотрим простейшие примеры отрицаний. Во всех примерах предполагается, что содержит элементы, отличные от 0 и 1.



Пример. "Все, что не истина и не ложь, является неопределенностью".


Рис. 8.2. 

где — некоторый элемент из такой, что . Это отрицание является сжимающим, ни обычным, ни слабым, с фиксированной точкой.



Пример. "Все, что не истина, есть ложь".


Рис. 8.3. 

Это отрицание является обычным, разжимающим, квазистрогим, без фиксированной точки.



Пример. "Все, что не ложь, есть истина".


Рис. 8.4. 

Это отрицание является слабым, разжимающим, квазистрогим, без фиксированной точки.



Пример. "Все или истина, или ложь".


Рис. 8.5. 

где — некоторый элемент из такой, что .

Это отрицание является разжимающим, ни обычным, ни слабым, без фиксированной точки. Некоторые подходы к формализации нечеткой логики, основанные на подобной интерпретации, сводят ее к двузначной, используя .

Пример. Пусть , где .


Рис. 8.6. 

Это отрицание является иволютивным. При нечетном фиксированной точкой отрицания является элемент . Мера нечеткости на этом элементе принимает максимальное значение. При четном фиксированная точка отрицания отсутствует, фокус состоит из множества , имеющих максимальную нечеткость.




Операции конъюнкции и дизъюнкции


Как отмечалось на предыдущих лекциях, операции конъюнкции и , введенные Заде, обладают почти всеми свойствами соответствующих булевых операций. Это позволяет легко обобщать для нечеткого случая многие понятия "четкой" логики. Однако с других точек зрения эти операции являются ограничительными. Возможность рассмотрения более "мягких" операций конъюнкции и дизъюнкции обсуждал еще Заде в своих первых работах.

Целесообразность применения тех или иных операций конъюнкции и дизъюнкции в нечеткой логике может рассматриваться с разных позиций в зависимости от области приложения нечеткой логики.

Во-первых, эти операции интересны с точки зрения моделирования лингвистических связок "и" и "или", используемых человеком. С одной стороны, операции и являются адекватными в порядковых шкалах, в которых обычно измеряются лингвистические оценки. Это обусловливает их широкое применение в нечетких лингвистических моделях. Однако, недостатком этих операций является то, что их результат равен значению одного операнда и не меняется при изменении значений второго операнда в определенном диапазоне величин. Например, для всех значений . Кроме того, в ряде экспериментальных работ было установлено, что операции и не являются достаточно удовлетворительными с точки зрения моделирования лингвистических связок. Это привело к появлению работ по разработке строго монотонных операций в порядковых шкалах, по настраиваемым на эксперта табличным операциям, а также стимулировало исследования по поиску новых операций конъюнкции и дизъюнкции.

Во-вторых, расширение класса операций конъюнкции и дизъюнкции было вызвано необходимостью построения достаточно общих математических моделей, которые могли бы с единых позиций рассматривать, например, вероятностные и многозначные логики, различные методы принятия решений, обработки данных и т.д. Подобное расширение произошло в результате введения в рассмотрение недистрибутивных операций конъюнкции и дизъюнкции, известных под названием -норм и -конорм.

Докажем, что условие дистрибутивности совместно с условиями монотонности и граничными условиями однозначно определяет операции Заде. Итак, пусть нам даны две операции и , удовлетворяющие следующим условиям:


  1. Дистрибутивность:



  1. Монотонность:



  1. Граничные условия:

Из монотонности и граничных условий следует выполнение условий:



Далее выводится условие идемпотентности дизъюнкции:



И из


следует

Аналогично выводится

Установлено, что именно условие дистрибутивности является наиболее жестким ограничением на возможную форму операций конъюнкции и дизъюнкции. Удаление этого свойства из множества аксиом устраняет единственность операций и и дает возможность совершать построения широкого спектра нечетких связок. Свойство дистрибутивности очень важно в логике, так как оно дает возможность совершать эквивалентные преобразования логических форм из дизъюнктивной в конъюнктивную форму и обратно. Оно активно используется в процедурах минимизации логических функций, в процедурах логического вывода на основе принципа резолюции и т.п. Однако, во многих задачах такие преобразования логических форм не являются необходимыми, и поэтому оказалось, что свойство дистрибутивности может быть "довольно безболезненно" удалено из системы аксиом, определяющих нечеткие операции конъюнкции и дизъюнкции. Основной аксиомой для них является ассоциативность, и свойства этих операций во многом определяются общими свойствами ассоциативных функций и операций, активно изучающихся в математике.

Простейшими примерами недистрибутивных операций являются следующие -нормы и -конормы:

(минимум),

(максимум),

(произведение),

(вероятностная сумма),

(t-норма Лукасевича),

(t-конорма Лукасевича),

(сильное произведение),

(сильная сумма).

Для любых -норм и -конорм выполняются следующие неравенства:



Таким образом, -нормы и являются минимальной и максимальной границами для всех -норм. Аналогично, -конормы являются минимальной и максимальной границами для всех -конорм. Эти неравенства очень важны для практического применения, так как они устанавливают границы возможного варьирования операций недистрибутивных конъюнкции и дизъюнкции.

В-третьих, рассмотрение логических операций конъюнкции и дизъюнкции как вещественных функций, являющихся компонентами нечетких моделей процессов и систем, естественно вызывает необходимость рассмотрения широкого класса таких функций, увеличивающих гибкость моделирования. По этим причинам, в ряде приложений нечеткой логики некоторые аксиомы -норм и -конорм также оказались ограничительными. В частности, параметрические классы данных операций имеют достаточно сложный вид, затрудняющий их аппаратную реализацию и оптимизацию нечетких моделей по параметрам этих операций. Сложность параметрических классов конъюнкций и дизъюнкций определяется способом генерации этих операций, который фактически определяется условием ассоциативности. С этой точки зрения свойство ассоциативности может рассматриваться как ограничительное. В то же время, свойство коммутативности операций конъюнкции и дизъюнкции может рассматриваться как необязательное ограничение на эти операции, так как в общем случае в нечетких моделях операнды данных операций могут характеризовать переменные, по-разному влияющие на результат. Свойства ассоциативности и коммутативности являются важными, например, в нечетких моделях многокритериального принятия решений, поскольку одним из разумных требований, накладываемых на процедуры принятия решений, является их независимость от порядка рассмотрения альтернатив и критериев. Но для систем нечеткого вывода эти свойства не всегда являются необходимыми, особенно когда позиции переменных в нечетких правилах и процедуры обработки правил фиксированы, а также когда число входных переменных не превышает двух, что бывает во многих реальных приложениях нечетких моделей. По этой причине из определения нечетких операций конъюнкции и дизъюнкции могут быть удалены свойства коммутативности и ассоциативности так же, как это было ранее сделано со свойствами дистрибутивности.

В качестве примера некоммутативных, неассоциативных операций дизъюнкции и конъюнкции можно привести следующие:






izumzum.ru