Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Рекуррентное построение распределений вероятностей конечных случайных множеств. Монография.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
☆
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
Д. В. Семенова, Н. А. Лукьянова
РЕКУРРЕНТНОЕ ПОСТРОЕНИЕ
РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
КОНЕЧНЫХ СЛУЧАЙНЫХ
МНОЖЕСТВ
Монография
СФУ
2018
УДК 519.111.1 ББК 22.193.4
С302
Рецензенты:
федры теории вероятностей и математической статистики Томского госу­дарственного университета;
дры прикладной информатики и теории вероятностей Российского уни­верситета дружбы народов (Москва)
С. П. Моисеева, доктор физико-математических наук, профессор ка-
Ю. В. Гайдамака, доктор физико-математических наук, профессор кафе-
Семенова, Д. В.
С302 Рекуррентное построение распределений вероятностей конечных
случайных множеств : монография / Д. В. Семенова, Н. А. Лукьяно­ва. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2018. – 136 с. ISBN 978-5-7638-4025-4
Изложен рекуррентный метод построения распределений вероятностей ко­нечных случайных множеств. Приведено его теоретическое обоснование. Метод позволяет в рамках случайно множественного подхода моделировать реальные системы с нечисловыми данными.
Предназначена для научных сотрудников, занятых в области теории вероят­ностей и математической статистики, аспирантов и студентов старших курсов, будет полезна также специалистам, интересующимся применением математиче­ских методов в социально-экономических и гуманитарных науках.
Электронный вариант издания см.: УДК 519.111.1
http://catalog.sfu-kras.ru ББК 22.193.4
ISBN 978-5-7638-4025-4 © Сибирский федеральный
университет, 2018
Оглавление
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Глава 1. Конечные случайные множества и способы их пред-
ставления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1. Случайные множества как случайные элементы . . . . . . . 14
1.2. Конечные случайные множества событий . . . . . . . . . . . 16
1.3. Функции множества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4. Распределения вероятностей конечного случайного мно-
жества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5. Аддитивные свойства распределений вероятностей конеч-
ного случайного множества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.6. Распределения вероятностей конечного случайного мно­жества, заданного на подмножестве базового множества . . 33
1.7. Арная ковариация множества событий . . . . . . . . . . . . 36
Глава 2. Достаточные условия существования распределений
вероятностей конечных случайных множеств . . . . . . . . . . 38
2.1. Достаточные условия существования распределений II рода 38
2.2. Достаточные условия существования распределений V рода 41
2.3. Уточнение границ Фреше для распределений вероятно-
стей конечного случайного множества . . . . . . . . . . . . 45
2.3.1. Распределение вероятностей II рода . . . . . . . . . . 45
2.3.2. Распределение вероятностей V рода . . . . . . . . . . 51
4 Оглавление
Глава 3. Метод рекуррентного построения распределений ве-
роятностей конечных случайных множеств на основе ассоци-
ативных функций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1. Ассоциативные функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2. Построение функций множества на основе ассоциативных
функций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3. Построение распределений вероятностей II рода на основе
ассоциативных функций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.1. Ассоциативная функция AF(a, b) = ab . . . . . . . . . 64
3.3.2. Ассоциативная функция AF(a, b) = min{a, b} . . . . . 65
3.3.3. Ассоциативная функция AF(a, b) = max{a + b − 1, 0} . 68
ab
3.3.4. Ассоциативная функция AF(a, b) =
. . . . . 75
a + b − ab
3.3.5. Однопараметрическое семейство функций Франка . . 80
3.4. Построение распределений вероятностей V рода на основе
двойственных ассоциативных функций . . . . . . . . . . . . 95
3.4.1. Ассоциативные функции по объединению . . . . . . . 96
3.4.2. Построение функций множества на основе ассоциа-
тивных объединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.4.3. Построение распределений вероятностей V рода . . .100
3.5. Анализ и демонстрация применения метода . . . . . . . . .107
3.5.1. Подгонка распределений конечных случайных мно-
жеств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Указатель обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Предисловие

Тема предлагаемой вниманию читателя книги — исследование рас­пределений конечных случайных множеств — представляет интерес для широкого круга специалистов. Поскольку многие задачи модели­рования случайных объектов нечисловой природы формулируются в терминах конечных случайных множеств, то многие методы решения, развиваемые в рамках этой теории, оказываются вполне пригодными для использования на практике.
Книга содержит три главы. В первой главе изложены концептуаль­ные основы теории конечных случайных множеств, необходимые для понимания последующего материала книги. Здесь определяются такие понятия, как «базовое множество случайных событий и порожденные им системы событий», «конечное случайное множество», «функция множества», «распределения вероятностей конечных случайных мно­жеств». Вводятся и обсуждаются типы распределений вероятностей конечных случайных множеств. Приводятся обозначения и свойства распределений вероятностей конечных случайных множеств, приме­няемые в последующих главах. Более детально с теорией конечных случайных множеств можно ознакомиться в систематической моно­графии [18].
Во второй главе устанавливаются достаточные условия существо­вания распределений вероятностей конечного случайного множества. Известно, что распределение вероятностей конечного случайного мно­жества можно задать шестью эквивалентными способами (распреде­лениями I —VI рода). Каждый из этих типов распределений вероятно­стей конечного случайного множества является функцией множества, заданной на соответствующей системе событий. В параграфах 2.1 и
2.2 сформулированы и доказаны достаточные условия, при выполнении
6 Предисловие
которых функция множества определяет распределение вероятностей конечного случайного множества II или V рода. Найденные условия дополняют необходимые условия существования распределений веро­ятностей конечного случайного множества II и V рода, доказанные в работах [11,18]. В параграфе 2.2 получены модифицированные грани­цы Фреше для вероятностей пересечений и объединений событий, ко­торые уточняют необходимые и достаточные условия существования распределений вероятностей II и V рода конечных случайных мно­жеств.
И, наконец, третья глава посвящена рекуррентному методу постро­ения распределений вероятностей конечных случайных множеств на основе ассоциативных функций. Ассоциативные функции и их раз­новидности (копулы и треугольные нормы) широко используются в теории вероятностей и нечеткой логике [82, 112, 124]. Авторами ас­социативные функции в виде ассоциативных и коммутативных копул применены для построения многомерных распределений вероятностей в рамках случайно-множественного подхода. Предложенный автора­ми рекуррентный метод сокращает число параметров распределения и порождает новые классы распределений вероятностей конечных слу­чайных множеств. Среди новых распределений, полученных рекур­рентным методом, наибольшего внимания с прикладной точки зрения заслуживают те, структура зависимостей которых описывается толь­ко параметрами используемой ассоциативной функции. В параграфе
3.1 даются предварительные сведения из теории ассоциативных функ­ций и обосновывается применение понятия ассоциативной функции к распределению вероятностей конечного случайного множества. В па­раграфе 3.2 изложен метод рекуррентного построения распределений вероятностей конечных случайных множеств на основе ассоциатив­ных функций. Предложенный метод решает проблему размерности, однако порождает другую проблему: построенные с помощью данно­го метода функции множества могут не являться распределением ве­роятностей. Следовательно, для каждого рассматриваемого семейства ассоциативных функций возникает необходимость исследования об­ласти применимости метода. Параграф 3.3 посвящен решению этой
Предисловие 7
проблемы. Кроме того, в нем с помощью предложенного метода полу­чены ранее известные законы распределений вероятностей (законы с независимо-точечной, вложенной и непересекающейся структурой за­висимостей событий), а также выявлены новые классы распределений вероятностей конечных случайных множеств. Для каждого из постро­енных распределений вероятностей найдены характеристики конечно­го случайного множества. В параграфе 3.4 метод рекуррентного по­строения распределений вероятностей конечных случайных множеств распространен на двойственные ассоциативные функции. Параграф 3.5 содержит анализ и демонстрацию применения рекуррентного метода.
Библиографический список содержит 157 наименований. В него включены также работы авторов, отвечающие содержанию и тема­тике настоящего издания. Теоремы, утверждения, леммы, следствия, примеры, рисунки и таблицы нумеруются двумя числами: первое из них — это номер главы, а второе — их порядковый номер, причем нумерация сквозная внутри главы. Конец доказательства отмечается символом ♦. В некоторых случаях авторы не дают формальных до­казательств, ограничиваясь ссылками на работы, где они приводятся. Конец примера отмечается символом . Часть используемой символи­ки является общепринятой в теории вероятностей. В указателе обо­значений приводятся некоторые специфические обозначения.
Чтение книги требует знания основ теории вероятностей в объе­ме университетского курса и предполагает известную математическую культуру. Тем не менее мы надеемся, что она окажется интересной и полезной читателю.
Нам приятно выразить глубокую благодарность нашему учителю профессору О.Ю. Воробьёву, который оказал непосредственное влия­ние на формирование научных интересов авторов, что нашло отраже­ние в этой книге. Хотя мы не в состоянии перечислить всех, кто помог нам своими замечаниями, особо хотелось бы поблагодарить старше­го научного сотрудника А.А. Новосёлова, профессора А.А. Назарова, профессора В.В. Рыкова, профессора Ю.Г. Дмитриева за полезные со­веты и конструктивную критику. Мы высоко ценим труд профессора В.В. Быковой, которая с большим вниманием следила за нашими ис-
8 Предисловие
следованиями и чьи замечания и ценные рекомендации способствова­ли улучшению изложения и устранению неточностей. Выражаем нашу искреннюю признательность профессору С.П. Моисеевой и доценту Е.Е. Голденок за дружеские советы и оказанную всестороннюю под­держку.

Введение

Наука о вероятностях, известная под названием теории вероятностей, имеет предметом своим вычисление вероятности события по данной связи его с событиями, которых вероятности известны.
П.Л. Чебышёв
В настоящее время актуальны задачи, связанные с необходимо­стью обработки больших массивов данных с целью поиска скрытых закономерностей, установления и выявления новых знаний, которые впоследствии могут быть использованы экспертами прикладной обла­сти. Подобные задачи, как правило, имеют комбинаторный характер и заключаются в поиске зависимостей между связанными события­ми в виде, доступном интерпретации человеком. Извлечение полезных знаний невозможно без хорошего понимания сути данных, а успеш­ный анализ требует их качественной предобработки и тщательного выбора модели для интерпретации зависимостей, которые могут быть обнаружены. В монографии такой математической моделью сложных объектов и систем, у которых число описываемых признаков конеч­но и появление любого из них представляется как случайное собы­тие, рассматриваются конечные случайные множества. Вероятностные распределения конечных случайных множеств позволяют дать сжатое описание неструктурированных данных, для которых размер каждой транзакции (множества событий, произошедших одновременно) не яв­ляется фиксированным.
Впервые понятие случайного множества было упомянуто в работе А. Н. Колмогорова в 1933 г. вместе с математическими основами тео­рии вероятностей [111]: «область . . . , форма которой зависит от слу­чая». Исследования случайных множеств начинаются с классических работ G. Choquet (1953–1954), D. G. Kendall (1974) и G. Matheron
10 Введение
(1975). Важнейшие результаты были получены в стохастической гео­метрии такими учеными, как G. Matheron [120], D. G. Kendall [109], J. Serra [141, 142], L. Santalo [67,133], D. Stoyan [146, 147], Р. В. Ам­барцумян [2], О. Ю. Воробьев [15,16,148], P. Diggle [91, 92], И. Мол­чанов [122, 123], A. Baddeley [83, 84]. В этих работах понятие слу­чайного множества определяется различными способами в зависимо­сти от структуры множества значений: замкнутое, открытое, непу­стое компактное, выпуклое случайное множество и другие. Например, J. Serra использовал случайные множества для моделирования агломе­рации руды, P. Diggle — для моделирования распространения вереска и при имитации природных текстур в бинарных изображениях, в то время как D. Stoyan и H. Stoyan применили случайные множества в статистике частиц для изучения колебаний форм песчинок и показа­ли, что случайные множества в качестве теоретико-множественного метода имеют свои преимущества и могут выступать в качестве до­полнения к другим мощным средствам, таким как многомерная ста­тистика. D. Stoyan применял случайные множества к стохастическим моделям систем из твердых сред, а также при изучении моделей по­ристой среды. Много работ связано с изучением случайных геомет­рических объектов — точек, прямых, кругов, мозаик и т.д. В осно­ве исследований лежит математическая морфология, которая изучает форму, в том числе и случайную форму пространственных объектов. Основными объектами в этой области являются случайные множества элементов числовой природы, например случайные подмножества ев­клидова пространства. Поэтому в анализе таких случайных множеств используются классические методы работы с числовыми объектами.
Начиная с 80-х гг. XX в. случайные множества стали применять­ся и в других областях, например в статистике объектов нечисловой природы, эконометрике и т.д. Принципиальное отличие этих случай­ных множеств заключается в том, что их множество значений состо­ит из произвольных абстрактных элементов, которые не принадлежат пространствам с привычной линейной или любой другой структурой. Основные результаты, достигнутые в этом направлении, отражены в работах G. Robbins [132], И. Молчанова [122], H. T. Nguyen [125],
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]