【精编】AHP(层次分析法)示例说明.pdf

1 AHP（层次分析法）示例说明(The Analgtic Hierarachy Process-AHP)一.AHP预备知识为了更好地理解AHP，需要准备一些矩阵方面的知识，以下知识都可以从线性代数中找到。1.1特征根与特征向量设nmijaA为n阶方阵，若存在常数和非零n维向量),(21ngggg，使得ggA (1)则称，是矩阵A的特征根（或特征值），非零向量g是矩阵A关于特征根的特征向量。1.2特征根的求法由(1)得00gEAggA，这是一个n元一次线性齐次方程组，该方程组如果有非零解，则其充分必要条件为：系数行列式为零，即0EA(2)称(2)式为矩阵A的特征方程，它是一个一元n次方程，由线性代数基本定理知，该方程有且只有n个根。1.3重量模型设nuuu,21为n个物体，重量分别是nggg,21。但是，我们并不知道物体的重量，只知两两之间重量比的比值：jiijgga设准则C为比较重量，问题是：已知),1(njiaij，在准则C下对元素nuuu,21排序，也就是按其重量大小排序已知。nnnnnnmnijggggggggggggggggggaA212221212111对于以下三个特性：（1）0ija（2）jiijaa1（3）ikjkijaaaija显然满足（1）与（2），但是，（3）式通常不被满足（因为统计或构造这么完整的数据很难），满足（1）、（2）的矩阵A为正互反矩阵；满足（1）、（2）并且（3）也成立时的矩阵A称为 一致性判断矩阵。问题是：已知判断矩阵A，在准则C下对 n 个物体排序。即按重量大小排序。2 如果，jiijgga是，ig，jg是重量的精确值，此时（3）式必定成立，即A是一致性判断矩阵。令Tngggg21则带入计算，ngAg。显见n是方阵A的特征根，g是A的与n对应的特征向量；事实上此时不难验证：n是方阵A=(aij)的最大特征根，其余n-1 个特征根全为零，而g是A的与最大特征根n对应的特征向量。（证明见附录）g的n个分量是物体的相对重量，因此，可按此对nuuu,21排序。如果对矩阵A有一个小的扰动，即ija不再是真实重量的比值，这时显然A不满足一致性条件，此时A的最大特征根max不再是n；因扰动很小，自然max离n不远，这时max对应的特征向量虽然不会是n个物体的真实重量Tngggg,21，但是，变动也不会太大。我们设想：如果扰动不大，则max离n就不远，此时max对应的特征向量g与g差不多，如果g不改变g的各分量的大小次序，则g同样给出n个物体nuuu,21按重量大小的真实排序。这样，对不满足一致性的正互反矩阵nnijaA)(，我们求其最大特征根m ax，再求与max对应的特征向量g，则可按g对n个物体nuuu,21按重量大小排序。但是，这一番理论有几个疑点：当A不满足一致性时，A还有没有最大正的特征根；既使A有最大特征根，那么，这个最大特征根max对应的特征向量的全部分量能否还是正数（重量不可能为负数）这两个问题可以用矩阵代数中 Perro Frobineus定理 回答。Perro-Frobineus定理：正矩阵存在重数为1 重的正特征根，其它特征根的模均小于这个正特征根，该正特征根对应的特征向量可以全部由正分量组成，经“归一化”处理后该特征向量是惟一的。（证明见 itac的 ecmp平台文档库中）Perron 定理明白地告诉我们，对正互反矩阵A，既使它不满足一致性，也一定存在最大正的实特征根，它对应的特征向量的各个分量都可以是正数，并且“归一化”后是惟一的。但是，我们能否按这个“归一化”后是惟一的特征向量对n个物体按重量大小排序呢或说这个“归一化”后的特征向量是否会改变扰动前的一致性矩阵A的最大特征根max=n对应的特征向量的各分量间大小的排序呢这个问题太难了，人们简直难于正面明确地回答，而只能给出一个并不是十分令人满意的简接回答。那就是对判断矩阵ijaA的一致性满意程度进行检验：我们说过，由于对A不大的扰动，最大特征根离n不应太远，所以一致性检验自然与n有关。我们可以证明：只要A的一致性不被满足，那么A的最大特征根max一定比n大，即maxn0。（对于正互反矩阵最大特征根随扰动的变大而变大的证明没有找到，忘补充）令1.maxnnIC显然，我们希望.IC尽量小；但是，.IC小到什么程度，才能使max与 n 对应的特征向量“归一化”后各分量大小次序不被破坏呢这仍是一个非常非常困难的问题，可以说，人们难以正面回答这个问题。为此，AHP发明者 Saaty 给出了平均一致性检验值.IR。我们重复1000 次，对随机判断矩阵 A的最大特征根进行计算后求取算术平均值得到如下平均随机一致性检验指标如下：3 阶数123456789101112131415.00令.IRICRC当1.0.RC时，认为判断矩阵A的一致性是可以被接受的。亦即当.1.0.1.0.IRICRC即时，就是说，当给定的判断矩阵)(ijaA的一致性指标.不超过平均随机一致性指标.的倍时，认为判断矩阵)(ijaA的一致性是可以被接受的。言外之意：此时的A的max对应的特征向量“归一化”后，能给出n个物体nuuu,21按重量大小的真实排序。明显看出这个回答不是正面的，也有些令人难以置信。但是，这已是目前为止最好的回答了，这也是AHP理论上不够严谨的问题。不过，从应用角度讲，当.时，AHP不再适用，这时，只能回头考虑，变更递阶层次结构，或对判断矩阵A重新赋值。二.AHP基本步骤用 AHP解决问题，有四个步骤：1.建立问题的递阶层次结构；2.构造两两比较判断矩阵；3.由判断矩阵计算被比较元素相对权重；4.计算各层元素组合权重，并进行一致性检验。下面通过一个应用实例说明AHP的每个步骤的实施。例：某闹市区一商场附近交通拥挤。目标G：改善该街区交通环境。有三种方案可供选择：1A：修天桥或修高架桥；2A：修地道；3A：商场搬迁。选择方案的准则有5 个：1c：通车能力；2c：方便市民；3c：改造费用；4c：安全性；5c：市容美观。决策步骤：A.建立问题的递阶层次结构：4 递阶层次结构中，每一层的每一个元素均是下一层中每个元素的准则。B.构造两两比较判断矩阵构造判断矩阵nnijaA)(，在单准则下分别构造，即在G下对1c2c3c4c5c，构造判断矩阵；分别在1c2c3c4c5c下对1A2A3A构造判断矩阵。在单一准则下，如何具体构造两两比较判断矩阵)(ijaA呢即如何具体确定比值ija呢在AHP中比较常用的是1-9 比例标度法。关于 1-9 比例标度法的说明:n个元素nuuu,21，两两比较其重要性共要比较2)1(nn次。第i个元素iu与第j个元素ju重要性之比为ija。通过使用标度比重，确定ija，一下是标度值：ija1 表示iu与ju重量相同，或重要性相同；ija3 表示iu比ju稍重；ija5 表示iu比ju明显重；ija7 表示iu比ju强烈重；ija9 表示iu比ju极端重；数 2、4、6、8 则为上述判断的中值。两两比较两个元素的重要性，总是在某种准则（准则层比较是以总目标G为准则，方案层比较，分别以准则层中各元素为准则）下进行的。至于为什么取1-9 比例标度，而不取别的，是因为人们直觉最多只能判断出9 个等级的差异，再细的差异，人的直觉是分辨不出来的，而两两比较判断矩阵是领域专家靠感觉去分辨和构造的。从理论上讲，用1-15 比例标度也未尝不可，只是人的直觉分辨不出。对n个物体，两两比较其重要性得判断矩阵nnijaA)(，显然ija满足：2.准则层3.方案层1.目标层1c：通车能2c：方便市3c：改造费4c：安全5c：市容美方案1A方案2A方案3A最高层：目标层G：改变交通环境5 0ija，jiijaa1，1iia共计)1(21nn个判断，所以A是正的互反矩阵，且对角线上元素为1，这样的n阶矩阵可表示为上三角或下三角矩阵。但A的元素ija通常不具有传递性，即:ikjkijaaa这是由事物的复杂性和人的认识的局限性造成的。如果式：ikjkijaaa成立，则称A 是 一致性矩阵。从判断矩阵A出发到导出元素在某种准则C下按重要性大小的排序，矩阵A的一致性起着至关重要的作用。按着 19 比例标度的上述说明，具体构造应用举例的六个准则下的两两比较判断矩阵分别为：G通车1c方便2c费用3c安全4c市容5c通车1c13535方便2c1/31313费用3c1/51/311/33安全4c1/31313市容5c1/51/31/31/31通车能力1c1A2A3A方便2c1A2A3A天桥1A115天 桥1A135地道2A115地 道2A1/3126 搬迁3A1/51/51搬 迁3A1/51/21费用3c1A2A3A安全4c1A2A3A天桥1A147天 桥1A11/21/3地道2A1/414地 道2A211搬迁3A1/71/41搬 迁3A311市容5c1A2A3A天桥1A11/21/3地道2A211搬迁3A311C.由判断矩阵计算被比较元素相对权重对给出的共6 个正互反矩阵，分别求:（1）max（2）与m ax对应的特征向量并归一化得排序相对权重向量（3）每个矩阵求m ax后，都要进行一致性检验。例如以1c作准则的判断矩阵为：15/15/1511511A7 因阶数低，可直接求出最大特征根。由于A是一致的，知max=3，其它的特征根均为0。下面来验证这一点：15/151)(15/15/151151115/15/1511511|EA030)2()()()2)(000051132max222再例如以准则2c的判断矩阵为：12/15/1213/1531A显然A不满足一致性，因为5623132312aaa。12/15/1213/1531A由12/121)(12/15/1213/153112/15/1213/1531|EA)2()(301)()2)(10/103/1053122203013)2(301)(2322由于A出现一个小的扰动而不满足一致性，此时不能再有max=3，而是max3。这时，通常用8 迭代算法（乘幂法）求解出m ax与对应的特征向量，关于乘幂法 可 baidu 一下。D.计算各层元素组合权重，并进行一致性检验（1）设准则层元素C相对于总目标G的排序权重向量为：Tmaaaa),(112111（本例中m=5）（2）方案层各方案A对准则层各元素j 的排序向量为：),2,1(),(222212mjbbbbjjjnj（本例中n=3，m=5）令),(222212mbbbB (m=5)则方案层的n(n=3)个方案相对于总目标的组合权重向量为122aBa：*最后得到的T*,*,*就是方案A、B、C在总目标G下的排序向量。（3）对于递阶层次组合判断的一致性检验我们要逐层计算.IC，设得到准则层针对目标层的计算结果为：1.IC，1.IR，1.RC方案层针对目标层的相应指标为：1222122.,.,.aICICICICm1222122.,.,.aIRIRIRIRm本例中m=5，则2212.IRICRCRC（为什么使用加法）上面iIC2.和iIR2.分别是方案层针对准则层的第i个准则下判断矩阵的一致性指标和平均随机一致性指标。当1.0.2RC时，认为递阶层次在2 层水平上整个判断有满意的一致性。附录：关于（n是方阵A=(aij)的最大特征根，其余n-1 个特征根全为零，而g是A的与最大特征根n对应的特征向量）的证明：证明 1：对于一致性正互反举证：9 nnnnnnWWWWWWWWWWWWWWWWWWA212221212111很 容易看出，每行成比例，因此矩阵的秩=1，非零特征根有1 个。并 且I aii，因此 n=I=证明 2：设两两比较相对重量的精确测度为：nnnnnnWWWWWWWWWWWWWWWWWWA212221212111则特征方程0|EA，有一重实根n及n1 重 0 根。证明：nnnnnnnWWWWWWWWWWWWWWWWWWEAf212221212111|)(11212221212111)()(nnnnnnnnfBfWWWWWWWWWWWWWWWWWW10 112112111000000nnnWWWWWWWWB2212212nnnnnnfff2212fnfnnn211221112nnnnnnnnWWWWWWWWf2211nnnnf01nfnn故n为一重特征根，0为n1 重特征根。