第三讲层次分析法建模PPT讲稿.ppt
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1、第三讲层次分析法建模第1页,共59页,编辑于2022年,星期二一、层次分析法概述问题的提出问题的提出:日常生活中有许多决策问题。决策是指在面临多种方案时,需要依据一定的标准选择某一种方案。例例1 1 购物购物 买钢笔,一般要依据质量、颜色、实用性、价格、外形等方面的因素选择某一支钢笔。买饭,则要依据色、香、味、价格等方面的因素选择某种饭菜。例例2 2 旅游旅游 假期旅游,是去风光秀丽的苏州,还是去迷人的北戴河,或者是去山水甲天下的桂林,一般会依据景色、费用、食宿条件、旅途等因素选择去哪个地方。例例3 3 择业择业 面临毕业,可能有高校、科研单位、企业等单位可以去选择,一般依据工作环境、工资待遇
2、、发展前途、住房条件等因素择业。面临各种各样的方案,要进行比较、判断、评价、最后作出决策。面临各种各样的方案,要进行比较、判断、评价、最后作出决策。这个过程主观因素占有相当的比重,给用数学方法解决问题带来不便。这个过程主观因素占有相当的比重,给用数学方法解决问题带来不便。第2页,共59页,编辑于2022年,星期二一、层次分析法概述T.L.saatyT.L.saaty等人20世纪在七十年代提出了一种能有效处理上述这类问题的实用方法层次分析法(Analytic Hierarchy Process,简称AHP)层次分析法是一种定性和定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法。过去研究自然和社会现象主要
3、有机理分析法机理分析法和和统计分析法统计分析法两种方法,前者用经典的数学经典的数学工具分析现象的因果关系,后者以随机数学随机数学为工具,通过大量的观察数据寻求统计规律。近年发展的系统分析是又一种方法,而层次层次分析法分析法是系统分析的数学工具之一。1.什么是层次分析法?2.层次分析法适用范围3.层次分析法的优点第3页,共59页,编辑于2022年,星期二层次分析法的基本思路:与人们对某一复杂决策问题的思维、判断过程大体一致。选择钢笔质量、颜色、价格、外形、实用钢笔1、钢笔2、钢笔3、钢笔4质量、颜色、价格、外形、实用进行排序将各个钢笔的质量、颜色、价格、外形、实用进行排序经综合分析决定买哪支钢笔
4、二、层次分析法建模的基本步骤第4页,共59页,编辑于2022年,星期二二、层次分析法建模的基本步骤运用层次分析建模,大体上可按下面四个步骤进行:1.建立层次结构模型建立层次结构模型 分析系统中各因素间的关系,建立系统的递阶层 次结构;2.构造判断矩阵构造判断矩阵 对同一层次的各元素关于上一层次中某一准则的重要 性进行两两比较,构造两两比较的判断矩阵;3.层次单排序与一致性检验层次单排序与一致性检验 由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的 相对权重,并进行判断矩阵的一致性检验;4.层次总排序及其一致性检验层次总排序及其一致性检验 计算各元素对于系统目标的总排序权重,并进行排序。第5页,共59页,编
5、辑于2022年,星期二三、层次分析法各步骤的实现过程(一)(一)层次结构图层次结构图(层次结构模型)(层次结构模型)n n概念概念 由目标层、准则层(指标层)、方案层等组成的多层次树状或网 状图,称为层次结构图。不论多指标决策是复杂或简单,都可以 画出层次结构图。n n分类分类 根据自上而下的支配关系的不同,层次结构图又分为树状图和网 状图。示例如图n n说明说明 1.对 于 一 般 的 决 策 层 次 分 析 模 型 可 分 为 三 层:最 高 层(目 标 层)、中 间 层(准 则 层)、最 底 层(方 案 层),各 层 可 以 根 据 问 题 的 需 要 细 分 为 若 干 子 层。最 高
6、 层 只 有 一 个 元 素,用 于 分 析 预 定 目 标 或 结 果,中 间 层 可 由 若 干 准 则、子 准 则层组成。最底层则由为实现目标而提供选择的各种措施与决策方案组成,也称方案层。2.每一层次中各元素所支配的元素一般不超过9个。第6页,共59页,编辑于2022年,星期二续层次结构图n n特点特点 1.元素按从上到下的顺序进行支配,同一层次元素之间不存在支 配关系;2.目标层只有一个元素,每个元素所支配的元素不超过9个,否 则需要进一步分组。(图例说明)n n实例实例 1.择校问题 2.合理使用企业利润问题第7页,共59页,编辑于2022年,星期二(二)判断矩阵n n判断矩阵的概
7、念判断矩阵的概念n判断矩阵是指层次结构图上某一层面各个元素之间关于上一层次中某一准则的相互重要性给以量化判断所构成的方阵。构造判断矩阵是进行层次分析的关键。n n判断矩阵的框架结构判断矩阵的框架结构(我们用图我们用图1 1所示的层次结构图分析说明所示的层次结构图分析说明)n包括面向紧上层面的目标(准则),与之相关联元素组成的方阵,即A=(bij)nn。如图1,第二层面有三个元素,即B1、B2、B3,针对上一层面A目标的Bj之间重要性判断矩阵的框架结构如表一。n第三层面有六个元素,针对第二层面Bj目标,可以写出Cj之间的重要性判断矩阵有三个,见表24。n依此类推,可以写出第四面Sj之间的重要性判
8、断矩阵六个。第8页,共59页,编辑于2022年,星期二续判断矩阵n n判断矩阵元素量化标度判断矩阵元素量化标度n根据心理学家的研究认为,人们区分信息等级的极限能力为72的大致幅度。因此Saaty提出判断矩阵标度应取19之间的数值,详见表五。n显然判断矩阵A=(bij)nn是正互反阵,因为bii=1,bij=1/bji 另外,nn阶判断矩阵只需给出n(n-1)/2个判断数。第9页,共59页,编辑于2022年,星期二续判断矩阵n n产生判断矩阵的判断数(产生判断矩阵的判断数(b bij ij)的方法的方法n判断矩阵的判断数不应该由个别人主观估计,而应该请有责任感且是内行的多位专家参与估计。一般来讲
9、,方案(措施)层的判断矩阵估计关系到决策质量,因此人员结构与专家数目应特别慎重。n n专家估计判断矩阵元素的方法专家估计判断矩阵元素的方法n n有静态法和动态法两种有静态法和动态法两种。所谓动态法动态法,就是给定一个nn阶方阵,按表五要求,估计出n(n-1)/2个判断数。此法简单扼要,应用较广。但要让专家直接在判断矩阵上标出19数值一般不太容易,所以常用一种称为静态法静态法的方法,即不去比较同一层面各元素之间谁轻谁重,孰优孰劣,而是进行单个元素与上个层面的目标(准则)对比。示例见表六。显然专家填列此表不会感到困难。第10页,共59页,编辑于2022年,星期二续判断矩阵n n静态判断值转化为动态
10、判断值的方法静态判断值转化为动态判断值的方法 如何将专家静态法产生的判断数,转化为nn阶判断矩 阵元素bij,是静态法是否有使用价值的关键 1.静态法与动态法数值转化对应表(见表七)2.应用举例 试将表六中静态判断值转化为动态判断值(见表八十)第11页,共59页,编辑于2022年,星期二(三)层次单排序与一致性检验n n层次单排序、判断矩阵一致性的概念层次单排序、判断矩阵一致性的概念层次单排序:层次单排序:确定下层各因素对上层某因素影响程度的过程。确定下层各因素对上层某因素影响程度的过程。用权值表示影响程度,先从一个简单的例子看如何确定权值。例如 一块石头重量记为1,打碎分成 n个小块,各块的
11、重量分别记为:则可得成对比较矩阵可以看出即在正互反矩阵A中,若 ,则称A为一致阵。第12页,共59页,编辑于2022年,星期二(三)层次单排序与一致性检验n n层次单排序层次单排序 在构造判断矩阵之后,解出判断矩阵的最大特征值 ,再利用它对应的特征方程 ,解出对应的特征向量W,W经过标准化后,即为同一层次中相应元素对于上一层次中的某个因素相对重要性的排序权值,这一过程即求层次单排序。(相关理解见注解)n n最大特征值和特征向量的计算最大特征值和特征向量的计算 由于判断矩阵中的元素 的给出是比较粗糙的,当n很大时,计算 和W很麻烦,因此,在计算判断矩阵的最大特征值和特征向量时可以采取近似计算。常
12、用的方法有:方根法、和法、特征根法。由于MATLAB软件的广泛使用,因此现在一般用特征根法来解决此类问题。详见应用举例。第13页,共59页,编辑于2022年,星期二续层次单排序与一致性检验n n为什么要进行一致性检验?为什么要进行一致性检验?在判断矩阵的构造中,由于客观事物的复杂性与人的认识的多样性,因此并不要求一致性定义中的等式aijajk=aik成立,但要求判断有大体上的一致是应该的,出现甲比乙极端重要,乙比丙极端重要而丙又比甲极端重要的判断,一般是违反常识的,一个混乱的经不起推敲的判断矩阵有可能导致决策失误,而且上述各种计算排序权重的方法当判断矩阵过于偏离一致性时,其可靠性也就值得怀疑。
13、因此,需要对判断矩阵的一致性进行检验。n n检验一致性的指标检验一致性的指标 检验判断矩阵是否有一致性,用两种指标进行检验:CI与CR(Saaty首先提出),步骤为:第14页,共59页,编辑于2022年,星期二续层次单排序与一致性检验(1 1)CICI称为判断矩阵偏离一致性指标:称为判断矩阵偏离一致性指标:当当 时,时,CI=0CI=0,表示判断矩阵具有完全的一致性。,表示判断矩阵具有完全的一致性。CI0CI0时,时,需要用需要用CRCR检验后才有结论。检验后才有结论。(2 2)CRCR称为判断矩阵随机一致性指标:称为判断矩阵随机一致性指标:式中式中RIRI为平均随机一致性指标,见下表为平均随
14、机一致性指标,见下表表十一表十一 平均随机一致性指标平均随机一致性指标RI(1RI(19 9阶正互反阵取样阶正互反阵取样10001000得到的平均值)得到的平均值)矩阵阶数123456789RI000.580.961.121.241.321.411.45使用条件只准用标度为1 9 9打分制打分制第15页,共59页,编辑于2022年,星期二续层次单排序与一致性检验 当CR=0时,判断矩阵有完全随机一致性;当CR0.10时,认为判断矩阵的一致性是可以接受的(满意),否则应对判断矩阵作适当调整。n n应用举例应用举例应用MATLAB计算判断矩阵排序权重向量、最大特征值,并进行一致性检验。此例前面我们
15、已算得最大特征值 ,于是有:可见此判断矩阵具有较好的一致性。第16页,共59页,编辑于2022年,星期二(四)层次总排序与一致性检验n n层次总排序的概念层次总排序的概念 层次单排序后,还需要进行层次总排序,即计算同一层次所有元素对于最高层(总目标)相对重要性的排序权值,称为层次总排序。这一过程是由最高层到最底层逐层进行的。n n层次总排序的计算层次总排序的计算 设准则层C包含m个元素C1、C2、Cm,它的层次总排序权值为a1、a2、am;方案层P包含n个元素P1、P2、Pn,它们对于Cj的层次单排序权值分别记为b1j、b2j、bnj(j=1,2,m),则P层次总排序权值如表十二所示。n n层
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