Ім'я файлу: 34d3869.doc Розширення: doc Розмір: 1961кб. Дата: 12.05.2022 скачати Пов'язані файли: реферат 2.docx Інтернет-технології опрацювання консолідованих інформаційних рес Міністерство освіти та науки України Національний університет водного господарства та природокористування Кафедра прикладної математики Реферат на тему: Нечітка логіка Виконала: студентка 2 курсу групи ПМ-23 Пащенко А. В. Перевірила: Федорчук Н. А. Рівне, 2009 ПланВступ 3 Основні характеристики нечітких множин 5 Методи побудови функцій приналежності нечітких множин 6 Операції над нечіткими множинами 7 Властивості множини нечітких підмножин 8 Нечітка логіка висловлень 9 Нечітка лінгвістична логіка 12 Нечіткі множини в системах керування 14 Переваги нечітких систем 15 Використана література 18 Вступ Мабуть, найбільш вражаючою властивістю людського інтелекту є здатність приймати правильні рішення в умовах неповної і нечіткої інформації. Побудова моделей наближених роздумів людини і використання їх у комп'ютерних системах представляє на сьогодні одну з найважливіших проблем науки. Основи нечіткої логіки були закладені наприкінці 60-х років у працях відомого американського математика Латфі Заде. Соціальне замовлення на дослідження подібного роду було викликано зростаючим незадоволенням експертними системами. Для створення дійсно інтелектуальних систем, здатних адекватно взаємодіяти з людиною, необхідний був новий математичний апарат, що переводить невиразні і неоднозначні життєві твердження в мову чітких і формальних математичних формул. Першим серйозним кроком у цьому напрямку з'явилася теорія нечітких множин, розроблена Заде. Його робота "Fuzzy Sets", що з'явилася в 1965 році в журналі "Information and Control", заклала основи моделювання інтелектуальної діяльності людини і стала початковим поштовхом до розвитку нової математичної теорії. Він же дав і назву для нової області науки -"fuzzy logic"(fuzzy - нечіткий, розмитий, м'який). Існує легенда про те, яким чином була створена теорія "нечітких множин". Одногу разу Заде мав довгу дискусію зі своїм другом відносно того, чия з дружин є більш привабливою. Термін "приваблива" є дуже невизначеним і в результаті дискусії вони не змогли прийти до задовільного висновку. Це змусило Заде сформулювати концепцію, що виражає нечіткі поняття типу "приваблива" у числовій формі. Подальші роботи професора Л.Заде і його послідовників заклали міцний фундамент нової теорії і створили передумови для впровадження методів нечіткого управління в інженерну практику. Нечіткі множини Нехай E – деяка фіксована множина і М - відрізок дійсних чисел. Нечітка множина А*множини Е – це множина пар виду , де - функція. Пара інтерпретується як елемент , який належить підмножині A* з показником . В класичній теорії множин елемент або належить, тобто , або не належить підмножині A. Третього не дано. Для нечіткої множини існує і третє, і четверте і т. д. Бачимо, розмитість, нечіткість підмножини A*. Множина E називається універсальною множиною(універсумом) для множини А*, а функція - функцією приналежності. Множина M називається множиною приналежності. Р озглянемо множину людей різного віку і спробуємо виділити підмножину молодих людей, тобто задати функцію . Зрозуміло, що кожен може ввести своє розуміння функції . На малюнку подані графіки деяких можливих таких функцій . На множині можна ввести поняття дійсних чисел дуже близьких до нуля. Наприклад, можна визначити функцію приналежності нечіткої підмножини A* дійсних чисел дуже близьких до нуля по формулі: . Графік цієї функції. Зрозуміло, що поняття дійсних чисел дуже близьких до нуля також вводить неоднозначно, тому, і в цьому випадку можна отримати різні функції приналежності Таким чином, вибір функції , загалом, може бути різним. Основні характеристики нечітких множин Нехай M = [0,1] і A* - нечітка множина з елементами з універсальної множини E і множиною приналежності M. Величина називається висотою нечіткої множини A*. Нечітка множина A є нормальною, якщо її висота дорівнює 1, тобто верхня границя її функції приналежності дорівнює 1 ( ). При нечітка множина називається субнормальною. Непорожню субнормальну множину можна нормалізувати по формулі . Нечітка множина є порожньою, якщо . Нечітка множина є унімодальною, якщо лише для одного . Носієм нечіткої множини A* є звичайна підмножина з властивістю . Носій для A* позначають як . Елементи , для яких називаються точками переходу множини A*. Методи побудови функцій приналежності нечітких множин У приведених вище прикладах використані прямі методи, коли експерт або просто задає для кожного значення , або визначає функцію приналежності. Як правило, прямі методи завдання функції приналежності використовуються для вимірних понять, таких як швидкість, година, відстань, тиск, температура і т.д., тобто коли виділяються полярні значення. У багатьох задачах при характеристиці об'єкта можна виділити набір ознак і для кожної з них визначити полярні значення, що відповідають значенням функції приналежності, 0 чи 1. Наприклад, у задачі розпізнавання обличчя можна виділити наступні пункти:
Для конкретного обличчя А експерт, виходячи з приведеної шкали, задає , формуючи векторну функцію приналежності . Непрямі методи визначення значень функції приналежності використовуються у випадках, коли немає елементарних вимірних властивостей, через які визначається потрібна нечітка множина. Як правило, це методи попарних порівнянь. Якби значення функцій приналежності були нам відомі, наприклад, , тоді попарні порівняння можна представити матрицею відношень A = де . Операції над нечіткими множинами Над нечіткими множинами можна виконувати такі ж операції, як і над звичайними. Нехай A* і B* - нечіткі множини на універсальній множині E. A* і B* називаються рівними тоді і тільки тоді, коли . A* міститься в B*, якщо . B* є доповненням для A* , тобто , якщо . Об’єднання A* і B* - це така нечітка множина з функцією приналежності . Перетин A* і B* - це така нечітка множина з функцією приналежності . Н ехай A* нечіткий інтервал між 5 до 8 і B* нечітке число близько 4, як показано на рисунку. Т оді і мають вид (синя лінія). С иня лінія - це заперечення нечіткої множини A*. Властивості множини нечітких підмножин Якщо A*, B* і C* нечіткі множини, то виконуються наступні рівності: . Але для нечітких множин не виконується: Нечітка логіка висловлень Нечітким висловленням називаються речення, відносно якого можна судити про ступінь його істинності чи хибності. Ступінь істинності чи ступінь хибності кожного нечіткого висловлення приймає значення із замкнутого інтервалу [0, 1], причому 0 і 1 це їх граничні значення, які співпадають з поняттями істини і хибності для «чітких» висловлень. Ступінь істинності (ступінь хибності) кожного нечіткого висловлення може приймати як тільки деякі значення з [0, 1], так і усі значення з [0, 1]. Приклади нечітких висловлень: «Два – маленьке число». «Волга – хороший автомобіль». «Дівчина була молода». Нечіткі висловлення бувають прості і складені. Складені висловлення утворюються з простих за допомогою введених операцій, таких як заперечення, кон’юнкція, диз’юнкція, імплікація та інших. Операції можуть вводитись різними способами. Розглянемо наступний варіант введення операцій. Запереченням нечіткого висловлення A* називається нечітке висловлення A* , ступінь істинності якого визначається виразом: A* =1- A*. Кон’юнкцією нечітких висловлень A*, В* називається нечітке висловлення, ступінь істинності якого визначається наступним чином: A*В*= max (A*, В*). Диз’юнкцією нечітких висловлень A*, В* називається нечітке висловлення, ступінь істинності якого знаходиться як: A* В* = min (A*, В*). Імплікацією нечітких висловлень A*, В* називаються нечітке висловлення, ступінь істинності якого визначається виразом: A*В* = max (1-A*, В*). Еквівалентністю нечітких висловлень A*, В* називається нечітке висловлення, ступінь істинності якого визначається співвідношенням: A* В* = min (max (1-A*, В*), max (A*,1- В*)). Введена нечітка логіка називається нечіткою логікою з максимінними операціями. Розглядаючи A*, В*, С* і т. д. як нечіткі змінні (пропозиційні букви), можна ввести поняття формули в нечіткій логіці так само, як вводились формули логіки висловлень. Істинність значень цих формул визначається згідно співвідношень введених для , , , , . Наприклад, маємо: Звідси слідує, що значення завжди не менше 0,5. Розглянемо тепер формулу: Таким чином, істинне значення для 0,5. Нехай нечітка підмножина M молодих людей задана функцією приналежності: Значення функції приналежності для вибраного значення , нехай x =Дарина, можна розглядати як істинне значення для нечіткого висловлення «Дарина молода». Тоді істинне значення нечіткого висловлення «Дарина молода» буде рівне 0,63, якщо їй 25 років. Якщо ж Олені 18 років, то істинне значення висловлення «Олена молода» буде рівне 1. В икористовуючи нечітку підмножину M можна ввести нечіткий предикат, наприклад «x дуже молода людина», тобто « ». Можна будувати й інші нечіткі предикати, використовуючи, наприклад, поняття: старий, рідкісний, гарний, дорогий і т. д. Окрім, нечітких предикатів, можна ввести нечіткі квантори (майже всі, багато, декілька і т. п.), а також нечіткі істинностні значення (абсолютно істинний, дуже істинний, істинний, абсолютно хибний, хибний і т. п.). Нечітка лінгвістична логіка Основоположником поняття лінгвістичної змінної є Л. Заде. Він же заклав основи застосування цієї змінної до наближених числень. Головна ціль введення лінгвістичної змінної і логіки, в основі якої ці змінні, - це формалізація наближених числень, використовуючи теорію нечітких множин. В цій логіці використовуються нечіткі кількісні поняття (майже всі, багато, мало, декілька і т. п.), нечіткі істинностні значення (абсолютно істинний, дуже істинний, більш-менш істинний, хибний і т. п.), а також інші нечіткі поняття (молодий, рідкісний, дорогий, гарний, майже неможливий, неймовірний і т. п.). Лінгвістичною називається змінна, значеннями якої є слова чи речення природної чи штучної мови. Наприклад, вік – можна розглядати як числову змінну, а можна розглядати як лінгвістичну змінну, що приймає наступні лінгвістичні значення: дуже молодий, молодий, досить молодий, не молодий, не молодий і не дуже старий, старий і т. п. До того ж для кожного наведеного значення потрібно задавати характеристичну функцію, що називається смислом цього значення. Більш точно лінгвістична змінна описується набором (X,T(X),U, G,M), в якому: X– назва лінгвістичної змінної. T(X) – множина лінгвістичних значень змінної Х. U – універсальна множина. G – синтаксичні правила, що породжують назви змінної, тобто правила визначення синтаксичних значень. M – семантичні правила, які ставлять у відповідність кожній нечіткій змінній її смисл М(Х), тобто характеристичну функцію для Х. Конкретна назва X, породжена синтаксичним правилом, називається термом. Терм, що складається з одного або кількох слів, які завжди фігурують разом, називають атомарним. Терм, що складається з одного або більше атомарних термів, називається складним. Розглянемо лінгвістичну змінну з іменем X= «Температура у кімнаті». Тоді решту характеристик можна визначити так: Універсальна множина U=[5, 35]. Терм-множина T(X)={«холодно», «комфортно», «жарко»}. Синтаксичне правило G, що породжує нові терми з використанням квантифікаторів «і», «або», «не», «дуже», «більше-менш» та інші. Mбуде процедурою, що ставить кожному новому терму у відповідність нечітку множину з Xза правилами: якщо терми А і В мали функції приналежності і відповідно, то нові терми будуть мати наступні функції приналежності, задані в таблиці:
Г рафіки функцій приналежності «холодно», «не дуже холодно» і т. п. лінгвістичної змінної «температура у кімнаті». В даному прикладі терм-множина складалася лише з невеликої кількості термів, так що доцільно було просто перерахувати елементи терм-множини T(X) і встановити пряму відповідність між кожним елементом і його смислом. У більш загальному випадку, число елементів в T(X) може бути нескінченним, і тоді як для породження елементів множини T(X), так і для обчислення їх смислу необхідно застосовувати алгоритм, а не просто процедуру перерахування. Говорять, що лінгвістична змінна X структурована, якщо її терм-множину T(X) і функцію M, яка ставить у відповідність кожному елементу терм-множини його смисл, можна задати алгоритмічно. Нечіткі множини в системах керування Найбільш важливим застосуванням теорії нечітких множин є контролери нечіткої логіки. Їх функціонування дещо відрізняється від роботи звичайних контролерів; для опису системи замість диференційних рівнянь використовуються знання експертів. Ці знання можуть бути виражені за допомогою лінгвістичних змінних, які описані нечіткими множинами. Загальна структура мікроконтролера, що використовує нечітку логіку, містить у своєму складі наступні складові: блок фазіфікації; базу знань; блок рішень; блок дефазіфікації. Блок фазіфікації перетворює чіткі величини, виміряні на виході об'єкта керування, у нечіткі величини, що описані лінгвістичними змінними в базі знань. Блок рішень використовує нечіткі умовні ( if - then ) правила, закладені в базі знань, для перетворення нечітких вхідних даних у необхідні керуючі впливи, що носять також нечіткий характер. Блок дефазіфікації перетворює нечіткі дані з виходу блоку рішень у чітку величину, що використовується для керування об'єктом. Як приклад відомих мікроконтролерів, що підтримують нечітку логіку можна назвати 68HC11, 68HC12 фірми Motorola, MCS-96 фірми Intel, а також деякі інші. Всі системи з нечіткою логікою функціонують за одним принципом: показання вимірювальних приладів, фазіфікуються (перетворюються в нечіткий формат), обробляються, дефазіфікуються й у вигляді звичайних сигналів подаються на виконавчі пристрої. Переваги нечітких систем Коротко перелічимо помітні переваги fuzzy-систем у порівнянні з іншими: можливість оперувати вхідними даними, заданими нечітко: наприклад, що безупинно змінюються в часі значення (динамічні задачі), значення, що неможливо задати однозначно (результати статистичних опитувань, рекламні компанії і т.д.); можливість нечіткої формалізації критеріїв оцінки і порівняння: оперування критеріями "більшість", "можливе", "переважно" і т.д.; можливість проведення якісних оцінок як вхідних даних, так і виведених результатів: можна оперувати не тільки власне значеннями даних, але їхнім ступенем вірогідності і її розподілом; можливість проведення швидкого моделювання складних динамічних систем і їхній порівняльний аналіз із заданим ступенем точності: оперуючи принципами поведінки системи, описаними fuzzy-методами, по-перше, не витрачається багато часу на з'ясування точних значень змінних і складання рівнянь, що їх описують, по-друге, можна оцінити різні варіанти вихідних значень. Висновок Засновник нечіткої логіки Л. Заде писав: «Нечітка логіка - це, по суті, крок на шляху до зближення точності класичної математики і всепроникної неточності реального світу, до зближення, породженого безперервним людським прагненням до кращого розуміння процесів мислення і пізнання». Своє друге народження теорія нечіткої логіки пережила на початку вісімдесятих років, коли відразу кілька груп дослідників (в основному в США і Японії) серйозно зайнялися створенням електронних систем різного застосування, що використовують нечіткі керуючі алгоритми. Теоретичні основи для цих спроб були закладені в ранніх працях Коско й інших учених. Тріумфальний хід нечіткої логіки по світу почався після доведення в кінці 80-х рр. Бартоломеєм Коско відомої теореми FAT (Fuzzy Approximation Theorem). У бізнесі і фінансах нечітка логіка отримала визнання після того, як в 1988 році експертна система на основі нечітких правил для прогнозування фінансових індикаторів єдина передбачила біржовий крах. І кількість успішних фаззі-застосувань в даний час обчислюється тисячами. Сьогодні елементи нечіткої логіки можна знайти в десятках промислових виробів - від систем керування електропоїздами і бойовими вертольотами до пилососів і пральних машин. Без застосування нечіткої логіки неможливі сучасні ситуаційні центри керівників західних країн, у яких приймаються ключові політичні рішення і моделюються всілякі кризові ситуації. Одним із вражаючих прикладів масштабного застосування нечіткої логіки стало комплексне моделювання системи охорони здоров'я і соціального забезпечення Великобританії (National Health Service - NHS), що вперше дозволило точно оцінити й оптимізувати витрати на соціальні нестатки. Використана література Аляев Ю.А., Тюрин С. Ф. Дискретная математика и математическая логика. – М.: Финансы и статистика, 2006. – 368с. Гуц А. К. Математическая логика и теория алгоритмов: Учебное пособие. – Омск: Издательство Наследие. Диалог-Сибирь, 2003. – 108с. Галиев Ш. И. Математическая логика и теория алгоритмов. – Казань: Издательство КГТУ им. А. Н. Туполева. 2002. - 270 с. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. – М.: Мир, 1976. http://www.intuit.ru/ – Интернет университет информационных технологий, Яхъяева Г.Э. Основы теории нечетких множеств. http://www.victoria.lviv.ua/ – Информационно-познавательный журнал «Виктория», Юрчак І., Макар В. Організація інтелектуальних обчислень. |