Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЭТНМ - Лабораторная работа №2

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
20.03.2016
Размер:
1.15 Mб
Скачать

Лабораторная работа №2

Операции над нечеткими множествами. Графическая форма представления операций

1 Цель работы

Получить практические навыки построения функций принадлежности с использованием аналитического представления и нахождения основных характеристик нечетких множеств.

2 Порядок выполнения работы

Изучить краткую теорию лабораторной работы (раздел 4). Ознакомиться с предложенными примерами (раздел 5). Получить задание на выполнение лабораторной работы (раздел 6) согласно своему варианту. Выполнить задание аналогично примерам. Ответить на контрольные вопросы (раздел 7). Составить и защитить отчет о лабораторной работе у преподавателя.

3 Содержание отчета

наименование и цель работы;

задание на лабораторную работу согласно варианту;

результат выполнения задания.

4 Краткая теория

4.1 Условные обозначения

Е (или Х, Y)

универсальное множество (УМ);

A (или B, C, D, F)

нечеткое множество (НМ);

А есть подмножество УМ Е;

µА(х), х Е

функция принадлежности (ФП) НМ А;

х Е

все (любые) х принадлежат УМ Е.

Операции над НМ:

 

 

операция взятия дополнения НМ (унарная);

 

пересечение НМ (бинарная);

 

объединение НМ (бинарная);

разность (бинарная);

\ (или (-))

ограниченная разность (бинарная);

 

дизъюнктивная сумма (бинарная);

 

алгебраическая сумма (бинарная);

 

или «точка»

алгебраическое произведение (бинарная);

 

Aα

возведение НМ А в степень α (унарная);

 

CON(A)

– концентрирование

НМ

А (унарная), частный

 

 

случай операции возведения в степень: А2;

DIL(A)

растяжение

НМ

А

(унарная),

частный

 

 

случай операции возведения в степень: А0,5;

α*A (или αA)

умножение

НМ

А на

число α

(унарная),

 

 

причем

sup

A(x) 1

(при умножении на

высоту НМ А получается число 1).

mb – ограниченное произведение

sb - ограниченная сумма

me – произведение Эйнштейна

se - сумма Эйнштейна

mg – произведение Гамахера

sg - сумма Гамахера

mi – усиленное произведение

si - усиленная сумма

ms – сильное произведение

ss - сильная сумма

Приоритет выполнения операций (в порядке убывания приоритета):

3), me, mg, mb, mi, ms

5)+, se, sg, sb, si, ss

6)–, \

Примечание. Операции, записанные в строку, обладают равным приоритетом. Выражение в скобках выполняется в первую очередь. При равенстве приоритетов и отсутствии скобок вычисления выполнять слева направо в порядке следования операций.

4.2 Формальная запись операций над НМ

C = A

С(х) = 1 - A(х), x E

 

C = A B

С(х) = min( A(х), B(х)),

x E

C = A B

С(х) = max( A(х), B(х)),

x E

C = A – B = A B

С(x) = min( A(x), 1 - B(x)), x E

C = A \ B = A(-)B

С(x) = max( 0, A(x) - B(x)), x E

C =

C(x) = max{[min( A(x), 1 - B(x))];[min(1 A(x),

(А B) ( А B)

B(x))]}, x E

 

C =

C(x) = A(x) + B(x A(x B(x), x E

C = A

C(x) = A(x) B(x), x E

 

C = Aα

C(x) = Aα(x), x E

 

C = CON(A) = A2

C(x) = A2(x), x E

 

C = DIL(A) = A0,5

C(x) = A0,5(x), xE

 

 

C = α*A

C(x) = A(x) , xE

 

 

Пусть A(x) = а, B(x) = b, C(x) = c.

 

 

 

 

 

 

 

 

Max(0, a + b – 1)

ограниченное

произведение

(пересечение

по

 

 

Лукасевичу)

 

 

 

a b/[1+ (1–a)(1–b)]

произведение Эйнштейна

 

 

a b/[1– (1–a)(1–b)]

произведение Гамахера

 

 

0,если

max(a,b) 1

усиленное произведение

 

 

 

 

 

 

 

 

min(a,b),если max(a,b) 1

 

 

 

 

a,если

b 1

сильное произведение

 

 

 

 

 

 

 

a 1

 

 

 

 

b,если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0, в остальныхслучаях

 

 

 

 

 

 

 

min(1, a + b)

ограниченная сумма (объединение по Лукасевичу)

 

 

 

 

 

1 – (1–a)(1–b)/(1 + a b)

сумма Эйнштейна

 

 

 

 

 

 

 

1 – (1–a)(1–b)/(1 – a b)

сумма Гамахера

 

 

 

1,если

min(a,b) 0

усиленная сумма

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

max(a,b),если min(a,b) 0

 

 

 

 

a,если

b 0

сильная сумма

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a 0

 

 

 

 

b,если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, в остальныхслучаях

 

 

 

 

4.3 Оператор увеличения нечеткости

Пусть A E, xE определены нечеткие множества K(х). Совокупность всех K(х) называется ядром оператора увеличения

нечеткости Ф. Результатом действия оператора Ф на нечеткое множество A является нечеткое множество вида:

Ф( A, K ) A (x)K(x),

x E

где A(x)K(х) - произведение числа на нечеткое множество.

4.4 Выпуклая комбинация нечетких множеств

Пусть A1, A2,.., An – нечеткие подмножества УМ E, 1, 2, ..., n – неотрицательные числа, являющиеся весовыми коэффициентами, сумма которых равна 1. Выпуклой комбинацией A1, A2,.., An называется нечеткое множество A с функцией принадлежности:

A(x1, x1,..., xn) = 1 A1(x) + 2 A2(x) + ... + n An(x), xE.

ПРИМЕЧАНИЕ: знак + означает арифметическое суммирование.

 

4.5 Декартово произведение нечетких множеств

 

 

Пусть A1, A2, ..., An - нечеткие подмножества универсальных множеств

E1,

E2,

...,

En

соответственно.

Декартово

произведение

A =

A1

A2

... An

является нечетким

подмножеством множества

E = E1 E2

... En с функцией принадлежности:

 

 

A(x1, x1, ..., xn) = min{ A1(x1), A2(x2) , ... , An(xn) },

что соответствует операции пересечения множеств, можно записать через операцию конъюнкции.

5 Примеры выполнения заданий

1. Исходные НМ A, B и C заданы таблично:

 

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

A

0,2

0,8

0

0,5

0,1

0,9

0,1

B

0,6

0,4

0,7

0,2

0,4

0,5

0,3

C

0,6

0,2

0,6

0,7

0,9

0,8

0

Найти НМ, заданные выражениями:

а) (A B) (C – B); б) (A B) C.

в) Применить к НМ А операции концентрирования, растяжения, умножения на число = 0,7.

Решение.

а) Найдем НМ, соответствующее значению выражения

(A B) (C – B).

Согласно приоритету операций, первыми выполняются операции в скобках, т.е. в данном случае порядок выполнения операций будет следующий: , –, .

Найдем НМ A B. Операция «алгебраическое произведение» определяется следующим образом: А В(x) = A(x) B(x). Таким образом, для х1:

А В(x1) = 0,2 0,6 = 0,12; для х2: А В(x2) = 0,8 0,4 = 0,32 и т.д. Т.е. НМ A B

будет иметь следующие степени принадлежности:

 

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

A В

0,12

0,32

0

0,1

0,04

0,45

0,03

Найдем НМ C–B. Операция «разность» определяется как:

С – В(x) = min( С(x); 1 – B(x))

Таким образом, для х1:

С – В(x1) = min(0,6; 1 – 0,6) = min(0,6; 0,4) = 0,4.

Для х2:

С – В(x2) = min(0,2; 1 – 0,4) = min(0,2; 0,6) = 0,2.

И т.д.

Т.е. НМ C – B будет иметь следующие степени принадлежности:

 

x1

x2

x3

x4

 

x5

 

x6

x7

 

С – В

0,4

0,2

0,3

0,7

 

0,6

 

0,5

0

 

И,

наконец,

найдем НМ (A

B) (C –

B),

что и будет результатом

вычислений. Операция «объединение» определяется как максимум из значений ФП. Таким образом, (х1) = max(0,12; 0,4) = 0,4, (х2) = max(0,32; 0,2) = 0,32 и т.д. Т.е. результат вычислений будет иметь следующие степени принадлежности:

 

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

(A B) (C – B)

0,4

0,32

0,3

0,7

0,6

0,5

0,03

б) Вычислим значение выражения (A B) C. С учетом скобок и приоритета операций порядок вычисления операций следующий: , .

Найдем НМ A B. Операция «дизъюнктивная сумма» определяется как:

А В(x) = max{[min( A(x), 1 – B(x))];[min(1 A(x), B(x))]}.

Таким образом, для х1:

А В(x1) = max{min(0,2; 1 – 0,6); min(1 – 0,2; 0,6)} = max{min(0,2; 0,4); min(0,8; 0,6)} = max(0,2; 0,6) = 0,6

Для х2:

А В(x2) = max{min(0,8; 1 – 0,4); min(1 – 0,8; 0,4)} = max{min(0,8; 0,6); min(0,2; 0,4)} = max(0,6; 0,2) = 0,6

и т.д. Т.е. НМ A B будет иметь следующие степени принадлежности:

 

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

A В

0,6

0,6

0,7

0,5

0,4

0,5

0,3

Найдем результат вычислений – это НМ (A B) C. Операция «пересечение» определяется как минимум из значений ФП. Таким образом,

(х1) = min(0,6; 0,6) = 0,6, (х2) = min(0,6; 0,2) = 0,2 и т.д. Т.е. результат вычислений будет иметь следующие степени принадлежности:

 

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

(A B) C

0,6

0,2

0,6

0,5

0,4

0,5

0

в) Применим к НМ А операции концентрирования, растяжения и умножения на число 0,7.

Операция концентрирования определяется так: СON(A)(x) = ( A(x))2, т.е. каждое значение ФП нужно просто возвести в квадрат. Результат операции

растяжения вычисляется по следующей формуле: DIL(A)(x) = ( A(x))0,5, т.е. из каждого значения ФП нужно извлечь корень. При выполнении операции

умножения на число, нужно каждое значение ФП умножить на данное число:

A (x) = A(x).

В результате получим следующее:

 

 

x1

 

x2

x3

x4

x5

x6

x7

A

0,2

 

 

0,8

 

0

 

0,5

 

0,1

0,9

0,1

CON(A)

0,04

 

 

0,64

 

0

 

0,25

 

0,01

0,81

0,01

DIL(A)

0,447

 

 

0,894

 

0

 

0,707

 

0,316

0,949

0,316

0,7A

0,14

 

 

0,56

 

0

 

0,35

 

0,07

0,63

0,07

2. Дано НМ А:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

x2

 

x3

 

x4

 

 

 

 

A

 

0,2

 

 

0,8

 

0

 

0,5

 

 

 

 

Необходимо применить к данному НМ оператор увеличения нечеткости Ф, ядро которого задано следующими НМ:

K(x1) = 1/x1 + 0,1/x2 + 0,9/x4

K(x2) = 1/x2 + 0,7/x1 + 0,8/x3 + 0,7/x4 K(x3) = 1/x3 + 0,2/x2 + 0,1/x4

K(x4) = 1/x4 + 0,7/x1 + 0,9/x2 + 0,5/x3

Решение.

Общая формула для применения оператора увеличения нечеткости к данному НМ выглядит следующим образом:

Ф(A,K) = A(x1)K(x1) A(x2)K(x2) A(x3)K(x3) A(x4)K(x4).

Вычисления будем производить по действиям:

A(x1)K(x1) = 0,2(1/x1 + 0,1/x2 + 0,9/x4) = 0,2/x1 + 0,02/x2 + 0,18/x4.

A(x2)K(x2) = 0,8(0,7/x1 + 1/x2 + 0,8/x3 + 0,7/x4) = 0,56/x1 + 0,8/x2 + + 0,64/x3 + 0,56/x4.

A(x3)K(x3) = 0(0,2/x2 + 1/x3 + 0,1/x4) = 0/x2 + 0/x3 + 0/x4.

A(x4)K(x4) = 0,5(0,7/x1 + 0,9/x2 + 0,5/x3 + 1/x4) = 0,35/x1 + 0,45/x2+ + 0,25/x3 + 0,5/x4.

Если на каком-то шаге какой-либо из элементов множества отсутствует, то соответствующая степень принадлежности принимается равной нулю.

Далее к полученным НМ нужно применить операцию объединения (max). Результаты вычислений представлены в таблице (считаем максимумы по каждому столбцу):

 

x1

x2

x3

x4

A(x1)K(x1)

0,2

0,02

0

0,18

A(x2)K(x2)

0,56

0,8

0,64

0,56

A(x3)K(x3)

0

0

0

0

A(x4)K(x4)

0,35

0,45

0,25

0,5

Ф(A,K)

0,56

0,45

0,64

0,56

Таким образом, получаем:

Ф(A,K) = 0,56/x1+0,8/x2+0,64/x3+ 0,56/x4.

3. Даны НМ A, B, C, D, E:

 

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

A

0,2

0,8

0

0,5

0,1

0,9

0,1

B

0,6

0,4

0,7

0,2

0,4

0,5

0,3

C

0,6

0,2

0,6

0,7

0,9

0,8

0

D

0,2

0,7

0

0,8

0,9

0,1

0

E

0,1

0,9

0,5

0,8

0,9

0,8

0,4

Найти выпуклую комбинацию нечетких множеств E, C, A, D, B. Веса множеств в порядке их следования: 0,34; 0; 0,38; 0,19; 0,09.

Решение.

Согласно определению, выпуклая комбинация НМ E, C, A, D, B определяется как множество с ФП:

(x1, x2,..., x7) = 1 E(x) + 2 C(x) + 3 A(x) + 4 D(x) + 5 B(x), x E

где 1, 2, ..., 5 – весовые коэффициенты исходных НМ. Т.е.

(x1, x2,..., x7) = 0,34 E(x) + 0 C(x) + 0,38 A(x) + 0,19 D(x) + 0,09 B(x),

x E.

Найдем значения ФП каждого элемента выпуклой комбинации НМ:

(x1) = 0,34 E(x1) + 0 C(x1) + 0,38 A(x1) + 0,19 D(x1) + 0,09 B(x1) = 0,34

0,1 +

0 0,6 + 0,38

0,2

+ 0,19

0,2

+ 0,09

0,6

= 0,034

+ 0

+ 0,076

+ 0,038 +

0,054

= 0,202;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2) = 0,34 E(x2) + 0 C(x2) + 0,38 A(x2) + 0,19 D(x2) + 0,09 B(x2) = 0,34

0,9 +

0 0,2 + 0,38

0,8

+ 0,19

0,7

+ 0,09

0,4

= 0,306

+ 0

+ 0,304

+ 0,133 +

0,036

= 0,779

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты вычислений приведены в таблице:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

x2

 

 

x3

 

x4

 

x5

 

 

x6

 

x7

 

ВК(E, C, A, D, B)

 

0,202

0,779

 

0,233

 

0,632

0,551

0,678

0,201

 

4. Даны два нечетких множества А и В:

A = x1/0,7 + x2 /0,3 + x3/0,8; B = x1/0,4 + x3/0,5.

Найти НМ С – их декартово произведение.

Решение.

Декартовым произведением двух НМ будет НМ, элементами которого будут являться все возможные пары элементов исходных множеств: (x1,x1), (x1,x3), (x2,x1) и т.д., а значениями их ФП – пересечение (т.е. минимальное значение) соответствующих ФП элементов в паре. Так, для (х1,х1) значение ФП будет равно min(0,7; 0,4) = 0,4; для (x1,x3) – min(0,7; 0,5) = 0,5 и т.д. Таким образом, получаем: C = A B = (x1,x1)/0,4 + (x1,x3)/0,5 + (x2,x1)/0,3 + (x2,x3)/0,3 + (x3,x1)/0,4 + (x3,x3)/0,5.

6 Задания для самостоятельной работы

6.1 НМ А и В заданы аналитически. x E = [1; 50], x=1.

A

1

 

 

B

e

( x c)2

 

;

 

d

.

 

1 (

x a

)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

Значения параметров a, b, с, и d заданы в таблице по вариантам (номер компьютера):

Вариант

a

b

c

d

1

3

16

20

50

2

2

8

10

60

3

5

12

25

40

4

4

15

15

55

5

3

14

20

42

6

7

10

30

45

7

5

12

10

58

8

6

9

17

48

9

2

16

24

56

10

3

13

15

44

11

4

10

16

52

12

6

14

18

55

Построить в Excel нижеперечисленные 10 графиков. Результаты затем оформить письменно под зачет (перерисовать в тетрадь вручную или распечатать из Excel).

1.Два исходных и их объединение.

2.Исходные и их пересечение.

3.Множество А и его дополнение.

4.Множество В и его дополнение.

5.Исходные и их разность.

6.Исходные и их дизъюнктивная сумма.

7.Исходные и их алгебраическое произведение

8.Исходные и их алгебраическая сумма

9.Множество А, его концентрирование и растяжение.

10.Множество В, его концентрирование и растяжение.

6.2 По вариантам (номер студента в списке)

Вариант № 1

 

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

x8

x9

x10

A

0,1

0,8

0,7

0,3

0,6

0,4

0,7

0,8

0

0,1

B

0,4

0,3

0,4

0,2

0,8

0,6

0

0,4

0,6

0,9

C

0,3

0,6

0,1

0

0,2

0,5

0,2

0,1

0,2

0,8

D

0,1

0,9

0,4

0

0,8

0,5

0,1

0,2

0,7

0,8

E

0,2

0

0,1

0,8

0,2

0,8

0,7

0,1

0,5

0,4

ЗАДАНИЕ 1. Найти нечеткое множество, заданное выражением:

0)( B A ) ∙ C

1)C A mg B

2)A ( B se C )

3)D me A ∙ E

4)A se ( B - C ) mi D

ЗАДАНИЕ 2. Найти результат операции концентрирования нечеткого множества A.

ЗАДАНИЕ 3. Найти результат операции растяжения нечеткого множества A. ЗАДАНИЕ 4. Найти результат операции умножения на число а нечеткого множества A при а = 0,1.

ЗАДАНИЕ 5. Найти выпуклую комбинацию нечетких множеств B D A C Веса множеств в порядке их следования: 0,88 ; 0,05 ; 0,02 ;

0,0499999999999999 ;

ЗАДАНИЕ 6. Найти множество Ф(A,К) - результат действия оператора увеличения нечёткости Ф на множество A.

Ядро:

K(x1)=1/x1+0,6/x2+0,1/x4+0,5/x5+0,1/x6+0,3/x7+0,8/x8+0,2/x9+0,3/x10;

K(x2)=1/x2+0,7/x1+0,3/x3+0,5/x4+0,5/x5+0,6/x6+0,1/x8+0,7/x9+0,7/x10;

K(x3)=1/x3+0,4/x1+0,3/x2+0,2/x4+0,6/x5+0,2/x6+0,4/x7+0,8/x8+0,3/x9+0,4/x10;

K(x4)=1/x4+0,6/x1+0,6/x2+0,3/x3+0,2/x5+0,2/x6+0,3/x7+0,6/x8+0,6/x9+0,3/x10;

K(x5)=1/x5+0,3/x1+0,8/x2+0,4/x3+0,1/x4+0,7/x6+0,9/x7+0,5/x8+0,8/x9+0,1/x10;

K(x6)=1/x6+0,2/x1+0,9/x2+0,7/x3+0,8/x4+0,3/x5+0,1/x7+0,7/x8+0,1/x9+0,6/x10;

K(x7)=1/x7+0,4/x1+0,9/x2+0,8/x3+0,7/x4+0,7/x5+0,8/x6+0,8/x8+0,2/x9+0,5/x10;

K(x8)=1/x8+0,5/x2+0,1/x3+0,2/x4+0,9/x5+0,7/x6+0,7/x7+0,8/x9+0,2/x10;

K(x9)=1/x9+0,2/x1+0,5/x2+0,2/x3+0,4/x5+0,2/x6+0,5/x7+0,4/x8+0,7/x10;

K(x10)=1/x10+0,7/x1+0,3/x2+0,1/x3+0,5/x4+0,1/x5+0,6/x6+0,1/x7+0,6/x8+0,5/x9;

Вариант № 2

 

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

x8

x9

x10

A

0,3

0,4

0,7

0,6

0,7

0,6

0,3

0,5

0,2

0,7

B

0,4

0,8

0,1

0,6

0,7

0,1

0,1

0,8

0,7

0

C

0,2

0,8

0,4

0,1

0,6

0,6

0,7

0,4

0,8

0,9

D

0,8

0,9

0,2

0,7

0,1

0

0,8

0,3

0,3

0,9

E

0,6

0

0,4

0

0,6

0,3

0

0,8

0,8

0

ЗАДАНИЕ 1. Найти нечеткое множество, заданное выражением:

0)( B - A ) ∩ ( B ∙ C )

1)( A ss B \ C )

2)A ∙ B \ C

3)D ( A mi E )

4)D sb A - E me C

ЗАДАНИЕ 2. Найти результат операции концентрирования нечеткого множества A.

ЗАДАНИЕ 3. Найти результат операции растяжения нечеткого множества A. ЗАДАНИЕ 4. Найти результат операции умножения на число а нечеткого множества A при а = 0,1.

ЗАДАНИЕ 5. Найти выпуклую комбинацию нечетких множеств E B D A C Веса множеств в порядке их следования: 0,4 ; 0,3 ; 0,23 ; 0,02 ; 0,05 ; ЗАДАНИЕ 6. Найти множество Ф(A,К) - результат действия оператора увеличения нечёткости Ф на множество A.

Ядро:

K(x1)=1/x1+0,4/x2+0,4/x3+0,6/x4+0,7/x5+0,9/x6+0,4/x7+0,5/x8+0,7/x9+0,2/x10;

K(x2)=1/x2+0,2/x1+0,4/x3+0,3/x4+0,8/x5+0,4/x6+0,5/x7+0,5/x8+0,8/x10;

K(x3)=1/x3+0,1/x1+0,2/x2+0,3/x4+0,8/x5+0,6/x6+0,2/x7+0,9/x8+0,3/x9+0,8/x10;

K(x4)=1/x4+0,8/x1+0,4/x2+0,7/x3+0,2/x5+0,3/x6+0,8/x8+0,7/x9+0,6/x10;

K(x5)=1/x5+0,2/x1+0,1/x2+0,1/x3+0,5/x4+0,4/x7+0,9/x8+0,2/x9+0,3/x10;

K(x6)=1/x6+0,9/x1+0,4/x2+0,7/x4+0,4/x5+0,1/x7+0,6/x8+0,9/x9+0,5/x10;

K(x7)=1/x7+0,9/x1+0,1/x2+0,6/x3+0,9/x4+0,8/x5+0,5/x6+0,2/x8+0,9/x9+0,8/x10;

K(x8)=1/x8+0,6/x1+0,5/x2+0,7/x3+0,9/x4+0,1/x6+0,8/x7+0,1/x9+0,2/x10;

K(x9)=1/x9+0,6/x1+0,8/x2+0,9/x3+0,3/x4+0,6/x5+0,5/x6+0,4/x7+0,2/x8+0,1/x10;

K(x10)=1/x10+0,5/x1+0,5/x2+0,7/x3+0,3/x4+0,8/x5+0,5/x6+0,5/x8+0,5/x9;

Вариант № 3

 

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

x8

x9

x10