Автоматика и телемеханика, № 4, 2022
Оптимизация, системный анализ
и исследование операций
© 2022 г. В.Л. ХАЦКЕВИЧ, д-р техн. наук (vlkhats@mail.ru)
(Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина,
Воронеж)
СРЕДНИЕ НЕЧЕТКИХ ЧИСЕЛ И ИХ
ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА
Установлены экстремальные свойства средних характеристик систем
нечетких чисел относительно некоторых метрик на множестве нечетких
чисел. Рассмотрены экстремальные свойства средних для систем дискрет-
ных нечетких множеств.
Ключевые слова: нечеткие числа, средние значения, экстремальные свой-
ства.
DOI: 10.31857/S0005231022040092, EDN: AAZTDZ
1. Введение
На протяжении последних нескольких десятков лет теория нечетких мно-
жеств активно применяется при решении задач нечеткого моделирования и
управления (см., например, [1-3]), когда исходные данные являются нена-
дежными или слабо формализованными.
Одним из базовых разделов теории нечетких множеств является теория
нечетких чисел. Отметим, что для многих реальных систем входные и вы-
ходные величины в условиях неполной информации могут быть выражены с
помощью нечетких чисел.
Известно, какую важную роль играют вещественные средние величины в
задаче агрегирования информации, анализе данных, отражая наличие трен-
дов. Такую же важную роль играют средние “нечетких” данных.
Как известно ([4, гл. 1, § 5]), для совокупности n вещественных чисел
x1,x2,... ,xn их среднее x =1n
xk является решением экстремальной зада-
k=1
чи (xi - x)2 min (x ∈ R). А медиана Me обладает таким экстремальным
i=0
свойством
|xi - Me| ≤
|xi - xj | (j = 1, . . . , n).
i=1
i=1
155
В настоящей статье экстремальные свойства числовых средних распро-
страняются на системы непрерывных нечетких чисел и дискретных нечетких
множеств. В разделе 2 рассмотрены экстремальные свойства систем непре-
рывных нечетких чисел. В этом случае в качестве средних выступают непре-
рывные нечеткие числа. В разделе 3 рассмотрены экстремальные свойства
средних для систем дискретных нечетких множеств и дискретных нечетких
чисел. В этом случае в качестве средних значений выступают соответствен-
но дискретные нечеткие множества и дискретные нечеткие числа. В данной
статье экстремальные свойства рассматриваются относительно следующих
метрик на классе нечетких чисел (и классе нечетких дискретных множеств):
расстояния Евклида, расстояния Хэмминга, расстояния относительно уров-
ней в интервальном представлении нечетких чисел. Приведенные в статье
результаты представляются новыми.
Нечетким множеством A, заданным на универсальном пространстве X,
называют (см. [1, 5]) совокупность упорядоченных пар (μA(x), x), где функ-
ция принадлежности μA(x) : X → [0, 1] определяет степень принадлежности
∀x ∈ X множеству A. Множество Supp (A) = {x|μ(x) > 0, x ∈ X} называют
носителем нечеткого множества.
Нечетким числом A называют нечеткое подмножество универсального
множества действительных чисел. Нечеткое число называют непрерывным,
если оно, дополнительно, удовлетворяет следующим предположениям:
1) носитель нечеткого числа — замкнутое ограниченное (компактное) мно-
жество действительных чисел: Supp (A) R;
2) функция принадлежности нечеткого числа μA(x) — выпукла;
3) функция принадлежности нечеткого числа μA(x) — нормальна, а имен-
но: sup μA(x) = 1;
x
4) функция принадлежности нечеткого числа μA(x) — полунепрерывна
сверху.
Совокупность непрерывных нечетких чисел будем обозначать J.
Под дискретным нечетким множеством в данной статье будем понимать
нечеткое множество, носитель которого состоит из конечного набора элемен-
тов дискретного универсума, а под дискретным нечетким числом — нечет-
кое число, носитель которого состоит из конечного набора вещественных
чисел.
2. Экстремальные свойства систем
непрерывных нечетких чисел
Рассмотрим экстремальные свойства систем нечетких чисел относительно
их функций принадлежностей.
Пусть вещественные числа βi R (i = 1, . . . , n) таковы, что βi 0,
βi = 1. Выпуклой комбинацией нечетких чисел zi i = 1,...,n, с функция-
i=1
ми принадлежности μi(x) называют нечеткое число zco с функцией принад-
156
лежности
(1)
μco(x) =
βiμi
(x).
i=1
Как известно, расстояние Евклида между нечеткими числами A и B с
функциями принадлежности μA(x) и μB(x) определяется равенством
1/2
(2)
dE(A,B) = (μA(x) - μB(x))2 dx
-∞
Уточним, что интегрирование в формуле (2) фактически производится
по ограниченному множеству Supp (A ∪ B). Оказывается, что справедлива
теорема 1.
Теорема 1. Для заданных нечетких чисел zi (i = 1,...,n) с функция-
ми принадлежности μi(x) их выпуклая комбинация zco является решением
экстремальной задачи βid2E(zi, w) min ( w ∈ J), причем единственным.
i=1
Доказательство. Пусть w ∈ J, η(x) - функция принадлежности w, а
μco(x) - функция принадлежности zco. Фиксируем i и рассмотрим выражение
(μi(x) - η(x))2 = (μi(x) - μco(x) + μco(x) - η(x))2 =
= (μi(x) - μco(x))2 + (μco(x) - η(x))2 + 2(μi(x) - μco(x))(μco(x) - η(x)).
Умножим обе части полученного равенства на βi и просуммируем их по i от
единицы до n. Тогда при каждом x ∈ (-∞, +) имеем
βi(μi(x) - η(x))2 =
βi(μi(x) - μco(x))2 +
i=1
i=1
(
)
+
βi (μco(x) - η(x))2 + 2(μco(x) - η(x))
βi(μi(x) - μco(x)).
i=1
i=1
При этом в последнем слагаемом
βi(μi(x) - μco(x)) =
βiμi(x) - μco(x)
βi = 0
i=1
i=1
i=1
по определению (1) функции μco(x) и в силу равенства βi = 1. Тогда, ин-
i=1
тегрируя полученный результат по x, имеем
βi
(μi(x) - η(x))dx =
i=1
-∞
= βi (μi(x) - μco(x))2dx + (μco(x) - η(x))2dx,
i=1
-∞
-∞
157
т.е.
βid2E(zi, w) =
βid2E(zi, zco) + d2E(zco, w).
i=1
i=1
Отсюда следует утверждение теоремы 1. Теорема 1 доказана.
Рассмотрим совокупность возрастающих по включению n нечетких чисел
z1,... , zn с функциями принадлежности μ1(x),... ,μn(x) соответственно, т.е.
выполнены включения Supp (z1) ⊆ . . . ⊆ Supp (zn) и справедливы неравенства
μ1(x) < ... < μn(x) (∀x ∈ Supp (z1)).
Срединное значение в этом ряду обозначим μсред(x), а соответствую-
щее ему нечеткое число zсред назовем квазимедианой. В случае нечетного
n = 2m - 1 срединное значение совпадает с μm(x), а в случае четного n = 2m
в качестве срединного значения положим (μm(x) + μm+1(x))/2.
Как известно, расстояние Хэмминга между нечеткими числами A и B с
функциями принадлежности μA(x) и μB(x) определяется равенством
(3)
dH(A,B) =
A(x) - μB
(x)|dx.
−∞
Оказывается, что справедливо утверждение 1.
Утверждение 1. Для заданной системы возрастающих нечетких чи-
сел z1, . . . , zn с функциями принадлежности μ1(x) < . . . < μn(x) квазимедиа-
на zсред обладает следующим экстремальным свойством
dH(zi, zсред)
i=1
≤ dH(zi, zj) (∀j = 1,...,n).
i=1
Действительно, поскольку при каждом x ∈ Supp (z1) срединное значение
μсред(x) является медианой системы чисел μ1(x),... ,μn(x), то
i(x) - μсред(x)| ≤
i(x) - μj (x)| (j = 1, . . . , n).
i=1
i=1
Интегрируя обе части этого соотношения по x, в силу (3) получим утвержде-
ние 1.
Рассмотрим экстремальные свойства систем непрерывных нечетких чисел,
используя их интервальное представление.
Как известно, интервал α-уровня нечеткого числа z с функцией принад-
лежности μz(x) определяется соотношением Zα = {x|μz(x) ≥ α} (α ∈ (0, 1]),
Z0 = Supp (z).
Согласно предположениям 1-4 на непрерывные нечеткие числа все ин-
тервалы α-уровня нечеткого числа z — замкнутые и ограниченные интерва-
лы вещественной оси. Обозначим левую границу α-интервала через z-(α),
158
а правую — z+(α), таким образом, Zα = [z-(α), z+(α)]. Иногда z-(α) и z+(α)
называют соответственно левым и правым индексами нечеткого числа.
Для нечетких чисел z1 и z2 с α-интервалами [z-i(α), z+i(α)] (i = 1, 2) под
суммой понимается нечеткое число z1 + z2 с α-интервалами [z-1(α) + z-2(α),
z+1(α) + z+2(α)]. А умножение на положительное число означает умножение
индексов на это число. Равенство между нечеткими числами понимается как
равенство всех соответствующих α-интервалов.
Предположения 1-4 обеспечивают следующие свойства индексов: функ-
ция z-(α) (z+(α)) ограничена, не убывает (не возрастает), непрерывна слева
на (0, 1] и непрерывна справа в точке 0.
Для двух нечетких чисел z1 и z2 зададим расстояние r2(z1, z2) между ними
формулой из [6]:
1/2
1
(4)
r2(z1, z2) = (z-1(α) - z-2(α))2 + (z+1(α) - z+2(α))2
0
Здесь z-i(α), z+i(α) — α-индексы нечетких чисел zi (i = 1, 2).
Пусть заданы вещественные числа βi R (i = 1, . . . , n) такие, что βi 0,
βi = 1. Рассмотрим взвешенное нечеткое среднее нечетких чисел z1,..., zn:
i=1
(5)
zср =
βizi.
i=1
Среднее такого рода используется в статистике нечетких данных [7, 8].
Обозначим через z-i(α) и z+i(α) левые и соответственно правые индексы
нечетких чисел zi в формуле (5).
Лемма. Индексы взвешенного нечеткого среднего (5) определяются ра-
венствами z-ср(α) =
βiz-i(α), z+ср(α) =
βiz+i(α).
i=1
i=1
Это следует из определения арифметических действий над нечеткими чис-
лами в интервальной форме. Оказывается, что взвешенное нечеткое сред-
нее (5) есть решение экстремальной задачи, связанной с метрикой (4), а имен-
но: справедлива теорема 2.
Теорема 2. Нечеткое среднее (5) является единственным решением
следующей экстремальной задачи
βir22(zi, w) min
( w ∈ J).
i=1
Здесь метрика r2 задается формулой (4), а J - совокупность всех непре-
рывных нечетких чисел, обладающих свойствами 1-4.
Доказательство. Фиксируем i и α ∈ (0,1]. Аргумент α в нижеследую-
щих формулах писать не будем, имея его в виду по умолчанию. Рассмотрим
159
равенство
(z-i - w-)2 + (z+i - w+)2 =
= (z-i - z-ср)2 + (z-ср - w-)2 + 2(z-i - z-ср)(z-ср - w-) +
+ (z+i - z+ср)2 + (z+ср - w+)2 + 2(z+i - z+ср)(z+ср - w+).
Умножим обе его части на βi и просуммируем по i обе части полученного
соотношения. Тогда
(
)
(
)
βi
(z-i - w-)2 + (z+i - w+)2
= βi
(z-i - z-ср)2 + (z+i - z+ср)2
+
i=1
i=1
(
+
(z-ср - w-)2 + (z+ср - w+)2
βi +
i=1
(
(
)
(
(
)
+2
z-ср - w-
βi
z-i - z-ср
+2
z+ср - w+
βi
z+i - z+ср
i=1
i=1
Заметим, что согласно условию
βi = 1
и в силу леммы
1
спра-
i=1
ведливы равенства
βi(z-i-z-ср) =
βiz-i-z-
ср
βi = 0 и βi(z+i- z+ср) =
i=1
i=1
i=1
i=1
=
βiz+i - z+
ср
βi = 0. Тогда
i=1
i=1
(
)
βi
(z-i - w-)2 + (z+i - w+)2
=
i=1
(
)
= βi
(z-i - z-ср)2 + (z+i - z+ср)2
+ (z-ср - w-)2 + (z+ср - w+)2.
i=1
Отсюда после интегрирования по α ∈ [0, 1] получим тождество
βir22(z, w) =
βir22(z, zср) + r22(zср, w),
i=1
i=1
из которого следует теорема 2. Теорема 2 доказана.
Следствие 1. Нечеткое среднее zср =1n
zi является единственным
i=1
решением экстремальной задачи
r22(zi, w) min
( w ∈ J).
i=1
Этот результат является обобщением классического характеристического
экстремального свойства среднего арифметического [4, гл. I].
160
3. Средние систем дискретных нечетких множеств
и их экстремальные свойства
Далее рассмотрим дискретные аналоги предыдущих утверждений.
Пусть X - универсальное пространство. Рассмотрим совокупность дис-
кретных нечетких множеств
Zk (k = 1,... ,n), характеризуемых парами
(μk(xi), xi), где xi ∈ X (i = 1, . . . , N ) - конечный набор элементов универсаль-
ного пространства, а μk(xi) - их степени принадлежности (значения функций
принадлежности μk(x)). Дискретное нечеткое множеств
Zk иногда записы-
вают в вид
Zk = μk(xi)/xi.
i=1
Пусть заданы вещественные числа βk 0 (k = 1, . . . , n), такие что
βk = 1. Определим выпуклую комбинацию дискретных нечетких мно-
k=1
жест
Z1,...
Zn как дискретное нечеткое множество
(6)
Zco =
μco(xi)/xi, μco(xi) =
βkμk(xi
) (i = 1, . . . , N).
i=1
k=1
Выпуклая комбинация дискретных нечетких множеств (взвешенное сред-
нее) используется для описания лингвистических переменных: существенно,
типично и т.п.
Как известно, расстояние Евклида между дискретными нечеткими мно-
жествам
Z1
Z2 задается формулой
(
)1/2
(7)
dE
Z1
Z2) =
(μ1(xi) - μ2(xi))2
(xi
∈ X).
i=1
Пусть βk 0 - заданные числа (веса), такие что
βk = 1. Для системы
k=1
нечетких дискретных множест
Z1,...
Zn рассмотрим экстремальную задачу
(8)
βkd2E
Zk,W
) min.
k=1
Здесь минимум берется по всем дискретным нечетким множествам вида
W = η(xi)/xi с функциями принадлежности η(x), для которых опреде-
i=1
лены степени принадлежностей η(xi) (i = 1, . . . , N).
Оказывается, что справедлива теорема 3.
Теорема 3. Для заданной системы дискретных нечетких множеств
Z1,...
Zn их выпуклая комбинаци
Zco является решением экстремальной
задачи (8), причем единственным.
161
Доказательство. Пусть
W = η(xi)/xi (xi ∈ X, i = 1,...,N).
i=1
Рассмотрим равенство
βk (μk(xi) - η(xi))2 =
i=1 k=1
∑∑
=
βk (μk(xi) - μco(xi) + μco(xi) - η(xi))2 =
i=1 k=1
∑∑
∑∑
=
βk (μk(xi) - μco(xi))2 +
βk (μco(xi) - η(xi))2
+
i=1 k=1
i=1 k=1
∑∑
+2
βk (μk(xi) - μco(xi)) (μco(xi) - η(xi)).
i=1 k=1
Здесь второе слагаемое в правой части равно
(μco(xi) - η(xi))2
βk = (μco(xi) - η(xi))2,
i=1
k=1
i=1
так как
βk = 1.
k=1
Покажем, что последнее слагаемое в правой части обращается в ноль. Дей-
ствительно, оно равно
2
(μco(xi) - η(xi))
βk(μk(xi) - μco(xi)),
i=1
k=1
при этом для каждого i справедливо равенство
βk(μk(xi) - μco(xi)) =
βkμk(xi) - μco(xi)
βk.
k=1
k=1
k=1
Последнее выражение равно нулю по определению (6) μco(xi). Так что спра-
ведливо представление
βk (μk(xi) - η(xi))2 =
i=1 k=1
∑∑
=
βk (μk(xi) - μco(xi))2 +
(μco(xi) - η(xi))2 .
i=1 k=1
i=1
162
Меняя здесь в двойных суммах порядок суммирования, согласно (7) полу-
чим
βkd2E
Zk,W) =
βkd2E
Zk
Zco) + d2E
Zco,W),
k=1
k=1
что обеспечивает утверждение теоремы 3. Теорема 3 доказана.
Определим медиану системы дискретных нечетких множеств
Zk
(k = 1, . . . , n). Для этого каждому i поставим в соответствие медиану Mei
числовой совокупностиk(xi)} при k = 1, . . . , n. Нечеткое дискретное мно-
жество — нечеткую медиан
ZMe системы дискретных нечетких чисе
Zk
определим как совокупность пар (Mei, xi). Близкое (но не аналогичное) опре-
деление используется, например, в [8, гл. 7].
Как известно, расстояние Хэмминга между нечеткими дискретными мно-
жествам
Z1 = μ1(xi)/xi
Z2 = μ2(xi)/xi определяется формулой
i=1
i=1
(9)
dH
Z1
Z2) =
1(xi) - μ2(xi
)|.
i=1
Оказывается, что справедлива теорема 4.
Теорема 4. Нечеткая медиана обладает следующим экстремальным
свойством:
dH
Zk
ZMe) ≤ dH
Zk
Zj) (j = 1,... ,N).
k=1
k=1
Доказательство. По свойству числовой медианы Mei при каждом i =
= 1, . . . , N имеем
k(xi) - Mei| ≤
k(xi) - μj(xi)|
(∀j = 1, . . . , N).
k=1
k=1
Суммируя обе части этого неравенства по i = 1, . . . , N, а затем меняя порядок
суммирования, согласно (9) получим требуемый факт.
Отметим, что определение медианы из [8] таким свойством не обладает.
Далее будем рассматривать дискретные нечеткие числа, а именно: такие
нечеткие числа, носитель которых состоит из конечного набора веществен-
ных чисел. Для системы дискретных нечетких чисел zk (k = 1, . . . , n), прини-
мающих вещественные значения xi (i = 1, . . . , N) с функциями принадлеж-
ностей μk(x), аналогично предыдущему определяются выпуклая комбина-
ция zco и медиана zMe. Ясно, что для таких систем дискретных нечетких
чисел справедливы аналоги теорем 3 и 4.
163
Определим еще дискретное нечеткое среднее zср системы дискретных
нечетких чисел z1, . . . , zn формулой
1
(10)
zср =
μср(xi)/xi, μср(xi) =
μk(xi
) (i = 1, . . . , N).
n
i=1
k=1
Такого рода среднее возникает при обработке экспертной информации
([8 гл. 7]).
Из теоремы 3 в случае βk = 1/n (k = 1, . . . , n) вытекает следствие 2.
Следствие 2. Среднее (10) является решением экстремальной задачи
d2E(zk, w) min .
k=1
Здесь минимум берется по всем дискретным нечетким числам вида
w = η(xi)/xi с функциями принадлежности η(x), для которых опреде-
i=1
лены степени принадлежностей η(xi) (i = 1, . . . , N).
Под средним значением дискретного нечеткого числа z = μ(xi)/xi бу-
i=1
дем понимать вещественное число
(11)
M(z) = xiμ(xi)
μ(xi
).
i=1
i=1
Оказывается, что справедливо утверждение 2.
Утверждение 2. Среднее значение (11) дискретного нечеткого чис-
ла
z является единственным решением экстремальной задачи δ(y) =
= (y - xi)2μ(xi) min (∀y ∈ R).
i=1
Действительно, производная функции δ(y) равна δ (y) = 2 (y - xi)μ(xi).
i=1
Отсюда δ (y) = 0, когда y = M(z). При этом вторая производная δ′′ (y) =
=2
μ(xi) > 0. Поэтому утверждение 2 следует из критерия экстремума
i=1
дифференцируемой функции δ(y).
Пример . Оценка (по пятибалльной шкале) четырьмя экспертами уровня
привлекательности некоторого проекта представлена в таблице.
Здесь μk(x) - функции принадлежности дискретных нечетких чисел zk
(k = 1, . . . , 4), характеризуемых парами (μk(xi), xi), где xi = i (i = 1, . . . , 5).
В соответствии с (10) формула для нечеткого среднего имеет вид zср =
=0,64/1+14/2+1,24/3+0,64/4+0,64/5. Тогда его среднее значение (11) M(zср) =
164
Таблица
Очень
Очень
Низкий = 2 Средний = 3 Высокий = 4
низкий = 1
высокий = 5
μ1
0,6
0,3
0,1
0
0
μ2
0
0,7
0,2
0,1
0
μ3
0
0
0,7
0,2
0,1
μ4
0
0
0,2
0,3
0,5
= (1 · 0,15 + 2 · 0,25 + 3 · 0,3 + 4 · 0,15 + 5 · 0,15)/(0,15 + 0,25 + 0,3 + 0,15 +
+ 0,15) = 2,9.
В заданных условиях нечеткая медиана zMe определяется по формуле
zMe = 0/1 + 0,15/2 + 0,2/3 + 0,15/4 + 0,05/5. При этом среднее значение (11)
от нечеткой медианы M(zMe) = (2 · 0,15 + 3 · 0,2 + 4 · 0,15 + 5 · 0,05)/(0,15 +
+ 0,2 + 0,15 + 0,05) = 1,75/0,55 3,18.
Поясним: чтобы посчитать медиану по каждому столбцу, автор статьи рас-
ставлял его элементы в возрастающем порядке. При этом в силу четного чис-
ла экспертов автор считал медиану как полусумму центральных членов.
Какой вывод сделать об уровне привлекательности проекта — по средним
значениям (2,9) или по медианам (3,18), — должно сделать лицо, принимаю-
щее решение (ЛПР).
4. Заключение
В настоящей статье устанавливаются экстремальные свойства (в смысле
минимизации некоторых расстояний) средних характеристик систем непре-
рывных нечетких чисел и систем дискретных нечетких множеств. В каче-
стве таких характеристик в данной статье рассматриваются нечеткие средние
двух видов: аналоги средних арифметических и медиан.
Подчеркнем, что экстремальные свойства являются важнейшими харак-
теристиками средних. Иногда сами средние определяются как решения неко-
торых экстремальных задач [4].
Несмотря на значительное число публикаций, посвященных средним
нечетких чисел и их систем (см., например, [7-12]), приведенные в настоя-
щей статье утверждения ранее не отмечались.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление. М.: Бином, 2015.
2. Аверкин А.Н. и др. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного
интеллекта. М.: Наука, 1986.
3. Дюбуа Д., Прад А. Теория возможностей. Приложение к представлению знаний
в информатике. М.: Радио и связь, 1990.
4. Джини К. Средние величины. М.: Статистика, 1970.
5. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. М.: Радио и связь, 1982.
165
6. Diamond P., Kloeden P. Metric Spaces of Fuzzy Sets // Fuzzy Sets and Systems.
1990. V. 35. Iss. 2. P. 241-249.
7. De la Rosa de Saa S., Gil M.A., Gonsalez-Rodrigues G., Lopez M.T., Lubiano M.A.
Fuzzy Rating Scale-based Questionnaires and Their Statistical Analysis // IEEE
Trans. Fuzzy Systems. 2015. V. 23. P. 111-126.
8. Nguyen H.T., Wu B. Fundamentals of statistics with fuzzy data. Berlin: Springer,
2006.
9. Dubois D., Prade H. The Mean Value of Fuzzy Number // Fuzzy Sets and Systems.
1987. V. 24. P. 279-300.
10. Fuller R., Majlender P. On Weighted Possibilistic Mean Value and Variance of Fuzzy
Numbers // Fuzzy Sets and Systems. 2003. V. 136. P. 363-374.
11. Calvo T., Mesiar R. Generalized Median // Fuzzy Sets and Systems. 2001. V. 124.
P. 59-61.
12. Calvo T., Mesiar R. Criteria Importances in Median-like Aggregation // IEEE Trans.
on Fuzzy Systems. 2001. V. 9. P. 662-666.
Статья представлена к публикации членом редколлегии Д.Е. Пальчуновым.
Поступила в редакцию 06.02.2021
После доработки 08.12.2021
Принята к публикации 30.12.2021
166