55. Обобщение понятия нечеткого подмножества
Сначала
рассмотрим частные примеры.
Пример
1. Предположим, что
, (55.1)
. (55.2)
Предположим,
также, что
имеет
структуру булевой решетки (т. е. дистрибутивной и с дополнением), подобную той,
которая представлена на рис. 55.1.
Рис. 55.1.
Для
операций
и
результаты для
можно видеть на
матрицах (55.3) и (55.4).
|
(55.3)
|
|
(55.4)
|
Исследуем
свойства
.
Положим
, (55.5)
, (55.6)
, (55.7)
. (55.8)
Положим
, (55.9)
. (55.10)
Поскольку
имеет
структуру булевой решетки, то для операций
и
выполняются следующие свойства:
ассоциативность, коммутативность, идемпотентность, поглощение, дистрибутивность
относительно
и наоборот,
существование единственного дополнения для каждого элемента
.
Теперь
исследуем свойства
.
Легко видеть, что
ассоциативна,
поскольку ассоциативна
. Аналогично
ассоциативна в силу
ассоциативности
.
Таким же образом исключительно легко доказать коммутативность, идемпотентность
и поглощение.
Докажем
дистрибутивность и существование дополнений.
(55.11)
Положим
. (55.12)
Убедимся,
что
, (55.13)
аналогично
. (55.14)
Таким
образом,
так
же, как и
,
обладает структурой булевой решетки, и эта структура изображена на рис. 55.2.
На рисунке
обозначает
Рис. 55.2.
Пример
2. Пусть опять
,
где
, (55.15)
. (55.16)
Пусть
теперь структура
представляет
собой решетку, состоящую из единственной цепи (рис. 55.3). Решетка
дистрибутивна, но без дополнений (т. е., скорее, это векторная решетка). Для
операций
и
имеем
|
(55.17)
|
|
(55.18)
|
Рис. 55.3.
Структура
множества
обладает
следующими свойствами: ассоциативностью, коммутативностью, идемпотентностью,
поглощением, дистрибутивностью относительно
и
.
Легко
проверить, что
обладает
теми же свойствами, а структура
- также векторная решетка (рис. 55.4).
На рисунке
обозначает
Рис. 55.4.
Пример
3. Пусть
, (55.19)
. (55.20)
Структура
представляет
собой нижнюю полурешетку (см. рис. 55.5), и поэтому можно определить только
. Имеем
|
(55.21)
|
Рис. 55.5.
В
выполняются
следующие свойства операции
: ассоциативность для
, коммутативность для
, идемпотентность для
; таким образом,
имеет структуру
нижней полурешетки (см. рис. 55.6).
Рис. 55.6.
Если
в этом примере изменить структуру
, а именно, поменять местами верх и низ
на рис. 55.5, то для
получим верхнюю полурешетку.
Пример
4. Пусть
, (55.22)
. (55.23)
Структура
, показанная
на рис. 55.7, не полурешетка. В ней для некоторых упорядоченных пар уже не
существует ни нижней, ни верхней границы. Структуру
можно определить для отношения
доминирования; эта структура изображена на рис. 55.8.
Рис. 55.7.
Рис. 55.8.
Замечание.
Обычно граф, представляющий отношение, называют конфигурацией. Таким образом,
решетку можно рассматривать как конфигурацию, то же самое можно сказать о
полурешетке и в конце концов, следовательно, о любом графе, представляющем
отношение. Однако, как мы видели, решетка также представляет структуру для
операций
и
, а полурешетка -
структуру для одной из операций
или
. Графы, соответствующие диаграммам Хассе
на рис. 55.7 и 55.8, представляют собой конфигурации, а не структуры по крайней
мере для
или
(и)
.
Случай,
когда
имеет
конфигурацию предпорядка. Если структура
имеет конфигурацию обычного предпорядка
(в смысле обычной теории графов), то мы знаем, что в этом предпорядке можно
определить множество классов эквивалентности и тогда эти классы сами с собой
образуют (частичный или полный) порядок. Именно так мы будем поступать в
случае, когда
имеет
конфигурацию обычного предпорядка.
Рассмотрим
пример. Пусть
, (55.24)
. (55.25)
Предположим,
что
имеет
структуру предпорядка, подобную той, которая изображена в виде обычного графа
на рис. 55.9. На рис. 55.10 мы выделили четыре класса эквивалентности этого
предпорядка, на рис. 55.11 показан порядок на этих классах, на рис. 55.12 -
максимальные цепи этого порядка.
Рис. 55.9.
Рис. 55.10.
Рис. 55.11.
Рис. 55.12.
Отметим,
что классы образуют верхнюю полурешетку.
Изучая
состав классов эквивалентности на рис. 55.10, замечаем, что
,
,
,
. (55.26)
Для
упрощения записи каждому классу эквивалентности поставим в соответствие по
одному представителю
,
,
,
, (55.26')
которые
и будем использовать для представления классов.
Верхнюю
полурешетку
можно
представить с помощью следующего отношения:
|
(55.27)
|
На
рис. 55.13 изображена верхняя полурешетка
, где
- представитель класса.
Рис. 55.13.
В
этой верхней полурешетке имеется 16 классов эквивалентности. Выпишем для
примера класс
:
. (55.28)
Очевидно,
что 64 элемента
разбиваются
на классы эквивалентности следующим образом:
(55.29)
Таким
образом,
-
обычный предпорядок, содержащий 16 классов эквивалентности.
Случай,
когда
имеет
структуру кольца. Пусть
,
,
|
(55.30)
|
|
(55.31)
|
Если
положим
, (55.32)
, (55.33)
где
и
, то
, (55.34)
. (55.35)
Для
мы получаем
структуру кольца, представленную в явном виде в (55.36) и (55.37), где запись
типа
использована
для обозначения
:
|
(55.36)
|
|
(55.37)
|
Замечание.
Интересно сравнить кольцо (55.30) и (55.31) с булевым кольцом (55.3) и (55.4).
Используем обозначения (55.30) и (55.31) для (55.3) и (55.4) и сравним их на
рис. 55.14. Кольцо из примера (55.30) и (55.31) - это (см. левый рисунок)
кольцо с операциями сложения и умножения по модулю 4 (чтобы убедиться в этом,
достаточно положить
,
,
и
), а правый рисунок
иллюстрирует построение булева кольца на множестве
.
Рис. 55.14.
Это
замечание можно уточнить, напомнив, что булево кольцо - это только одна из
многих кольцевых структур.
Перенесение
свойств. После всего, что мы изложили в данном параграфе, легко доказать, что
-
обычный предпорядок
-
обычный предпорядок, (55.38)
-
обычный порядок
-
обычный порядок, (55.39)
-
нижняя полурешетка
-
нижняя полурешетка, (55.40)
-
верхняя полурешетка
-
верхняя полурешетка, (55.41)
-
решетка
-
решетка, (55.42)
-
кольцо
-
кольцо. (55.43)
Эти
свойства следует добавить к тем, которые уже были определены в (53.16)-(53.18),
помня, что любой ассоциативный для
закон
индуцирует ассоциативный закон
для
; аналогично, если
закон
коммутативный,
то коммутативен и закон
, если закон идемпотентный, то и закон
идемпотентный.
Другие
свойства. Формулы (52.33)-(52.39) позволяют определить другие свойства. Рассмотрим
случай, когда
. (55.44)
Можно
легко доказать несколько свойств.
Если
и
имеют конфигурации
обычного предпорядка, то
имеет такую же конфигурацию; аналогичные
результаты получаем, рассматривая конфигурации порядка, полурешетки, решетки
или кольца. Эти же свойства обнаруживаются и в связи с операциями взятия
произведения и возведения в степень.
Рассмотрим
пример.
Пример.
Пусть
, (55.46)
, (55.47)
где
имеет
структуру нижней полурешетки, которая отражена на рис. 55.15, и
- структуру решетки
(рис. 55.16).
Рис. 55.15.
Рис. 55.16.
Произведение
(55.48)
обладает
структурой нижней полурешетки (рис. 55.17).
Рис. 55.17.
Теперь
положим
. (55.49)
Тогда
множество
с
элементами
, (55.50)
где
;
;
;
, состоит из
элементов и имеет структуру
нижней полурешетки.
Другой
пример: нечеткие подмножества высших порядков. Пусть
, (55.51)
, (55.52)
. (55.53)
Исследуем
представление
.
Сначала имеем
(55.54)
Сохраняя
произвольный порядок элементов в
, для упрощения записи положим
. (55.55)
Легко
видеть, что множество
содержит
элементов, из которых выпишем только
один:
. (55.56)
Если
- решетки,
то
- тоже
решетка.
Здесь
мы видим, как появляется понятие нечеткого подмножества порядка 2. Можно пойти
еще дальше и определить нечеткие подмножества порядка
.
Не
нужно путать
с
, (55.57)
т.
е. с нечеткостью другого типа.
Относительное
обобщенное расстояние Хемминга для случая, когда
- решетка, и для более общего случая -
ориентированного графа. Перед тем как определить это понятие, еще более общее,
чем то, которое изучалось в § 5, напомним, что понимают под расстоянием между
двумя вершинами в неориентированном выпуклом обычном графе.
Расстоянием
между двумя вершинами неориентированного графа называется длина кратчайшей
неориентированной цепи (число звеньев кратчайшей цепи). Определенное таким
образом расстояние между
и
обозначим через
.
Проверим,
что аксиомы (5.49)-(5.51) действительно удовлетворяются. Пусть
- множество вершин
рассматриваемого неориентированного графа, нужно проверить, что
, (55.58)
, (55.59)
, (55.60)
и,
кроме того, что
. (55.61)
Легко
убедиться в том, что эти условия действительно выполняются и, значит,
расстояние между вершинами определено корректно.
На
рис. 55.18 мы изобразили неориентированный связный обычный граф. На рис. 55.19
приведена матрица расстояний
в этом графе.
Рис. 55.18.
Рис. 55.19.
Рассмотрим
случай, когда мы имеем дело с множеством
, нечеткие подмножества которого
принимают свои значения в
, причем
- упорядоченное множество. Для этого
упорядоченного множества построим диаграмму Хассе, которая определит
неориентированный обычный граф; в этом неориентированном обычном графе измерим
расстояния
между
вершинами, как это было определено выше.
Пусть
(55.62)
-
множества с элементами, функции принадлежности которых принимают свои значения
в упорядоченном множестве
. Диаграмма Хассе для
представлена на рис. 55.20.
Матрица расстояний
в
этом неориентированном обычном графе приведена на рис. 55.21.
Рис. 55.20.
Рис. 55.21.
Теперь
предположим, что мы рассматриваем для нечетких подмножества
и
множества
:
(55.63)
и
(55.64)
Сначала
подсчитаем расстояния
между «значениями» или «вершинами графа»
для каждого элемента
. Эти расстояния можно взять из матрицы
на рис. 55.21. Имеем
(55.65)
Эти
расстояния можно записать в одну строку
(55.66)
Теперь
напомним, что понимается под диаметром связного неориентированного обычного
графа - это максимальный кратчайший путь между любыми двумя вершинами.
Например, для графа на рис. 55.18 диаметр равен 4 (см. правый столбец на рис.
55.19, расположенный под словом max).
Следовательно, для графа на рис. 55.20 диаметр тоже равен 4. Теперь разделим
каждое расстояние в (55.66) на 4 и получим
(55.67)
Таким
образом, мы приходим к случаю, когда числа принадлежат
и могут трактоваться как
значения функции принадлежности.
Теперь
определим относительное обобщенное расстояние Хемминга между
и
. (55.68)
Понятие
относительного обобщенного расстояния Хемминга между двумя нечеткими
подмножествами одного и того же универсального множества, в свою очередь, можно
обобщить дальше, если допустить, что каждый элемент
,
, можно оценить по некоторому критерию,
который может быть ему присущ или нет. Тогда можно использовать следующий общий
алгоритм.
Общий
алгоритм. 1. Представляем каждый критерий в виде матрицы кратчайших путей в
неориентированном обычном графе.
2.
Рассматриваем два нечетких подмножества:
(55.69)
и
(55.70)
где
и
- оценки расположения
по критерию
,
которому будет соответствовать диаметр
;
и
- оценки расположения по критерию
, которому будет
соответствовать диаметр
, …;
и
- оценки расположения по критерию
, которому будет
соответствовать диаметр
.
3.
Подсчитываем расстояния
,
, …,
и делим каждое расстояние на его
диаметр; таким образом,
(55.71)
4.
Определяем относительное обобщенное расстояние Хемминга:
. (55.72)
Рассмотрим
довольно искусственный пример.
Пример
(см. рис. 55.22). Пусть
(55.73)
(55.74)
Рис. 55.22.
Тогда
имеем
расстояния
(55.75)
диаметры
(55.76)
относительные
расстояния
(55.77)
и
относительное обобщенное расстояние Хемминга
. (55.78)
Неоднородное
нечеткое подмножество. Предположим, что
принимает свои значения в
,
. Тогда множество нечетких
подмножеств можно записать в виде
, (55.79)
где
,
- обычные
одноточечные подмножества
.
Любой
элемент вида (55.79) будет называться неоднородным нечетким подмножеством.
Примерами неоднородных нечетких подмножеств одного и того же универсального
множества могут служить подмножества (55.73) и (55.74).
Если
, (55.83)
то
. (55.84)
Мы
снова приходим к понятию нечеткого подмножества, которое рассматривалось до сих
пор.
Замечание.
Очевидно, что в обобщении можно пойти дальше, считая некоторые
и
зависимыми.
Например,
обычное подмножество
может принимать свои значения в
, а не
в
и
в
. Это позволяет ввести очень
интересное расширение понятия нечеткого подмножества, которое можно описать как
состоящее из взаимозависимых нечетких подмножеств. Предворяя рассмотрение этого
вопроса в последующих томах, читатель может сам придумать много видов
интересных расширений.