第三章灰色综合评价课件.pptx
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1、第三章 灰色综合评价目录目录n3.1灰色综合评价的理论基础n3.2灰色关联分析n3.3灰色聚类评估n3.4灰色综合评价应用实例3.1 灰色综合评价的理论基础灰色综合评价的理论基础n3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发展 n3.1.2 灰色系统理论的基本概念 3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发展灰色系统理论的建立、应用和发展1.灰色系统灰色系统(1)系统 在系统科学中,系统通常是由相互作用和相互依赖的若干组成部分(要素)结合而成的有特定功能的有机整体。每一个有机整体(系统)又是它所从属的一个更大系统的组成部分。n 系统这一概念的定义,目前学术界尚未统一,较流行的定义:n把系统定义为抽象
2、集上的关系,即 n其中:为笛卡尔积;I为指标集;Vi为关系的各分量n 当I为有限集时,可表达成 3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发展灰色系统理论的建立、应用和发展3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发展灰色系统理论的建立、应用和发展(2)灰色系统 控制论中,常借助颜色来表示研究者对系统内部信息和对系 统本身的了解及认识程度。n “黑”表示信息完全缺乏,n “白”表不信息完全,n “灰”表示信息不充分、不完全。3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发展灰色系统理论的建立、应用和发展 由于黑、白、灰是相对于一定认识层次而占的,因而具有相对性。由此,我们可以定义:n 所谓白色系统(white
3、 system,简称w系统)是指,相对于一定的认识层次,所有信息都己确知的系统。n 所谓黑色系统(black system,简称B系统)是指,相对于一定的认识层次,关于系统的所有信息都是未知的。n 所谓灰色系统(Grey system;简称C系统)是指,相对于一定的认识层次,系统内部的信息部分已知,部分未知,即信息不完全。3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发展灰色系统理论的建立、应用和发展n目前,W系统和B系统已有一套较成熟的方法来处理,G系统则可用近年来发展起来的灰色系统理论来处理。n在灰色系统理论产生之前,W、B、G系统分别称为白箱、黑箱和灰箱。3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发
4、展灰色系统理论的建立、应用和发展n例如,有一个人有一天去他朋友家,他的朋友养了条狗。当外面一辆汽车开过来时,这条狗就跑到屋角畏缩起来。冲这个人看来,这条狗的行为真是莫名其妙。然而,对狗的主人来讲,狗的这种惧怕行为足可以理解的,因为他知道,前不久,这条狗曾被汽车压伤过。这里就存在三个问题。n a:狗的惧怕行为来自它曾被汽车压过的“记亿”;n b:狗主人的朋友面临着一个“狗有惧怕行为”黑箱,能解释狗的这种行为;n c:狗的主人面临的是一个“狗有惧怕行为”的灰箱,所以他能解释狗的这种行为。这说明,一个被观察系统,它是黑箱还是灰箱往往是相对于不同的观察者而言的。3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发
5、展灰色系统理论的建立、应用和发展 2.灰色系统理论建立的背景灰色系统理论建立的背景 按数理统计的要求,数据越多越好,因为统计规律是建立在大样本基础之上的。但实际情况却是:(1)许多系统即使有了大样本,其分布也不一定是典型的,而非典型的随机过程(如非高斯分布,非平稳过程,非白噪声等)是难以用统计方法处理的;(2)现实中的许多灰系统,因为没有物理原型,信息难以完全判断,而且数据很少(即小样本),这就难以用统计方法处理。3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发展灰色系统理论的建立、应用和发展灰色系统概率论模糊集内涵小样本不确定大样本不确定认知不确定依据信息覆盖概率分布隶属度函数手段生成统计边界取值特
6、点少数据多数据经验(数据)要求允许任意分布要求典型分布函数目标现实规律历史统计规律认知表达信息准则最少信息无限信息经验信息3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发展灰色系统理论的建立、应用和发展n1982年,由中国华中理工大学邓聚龙教授首先提出并创立的一门新兴学科,它是基于数学理论的系统工程学科。主要解决一些包含未知因素的特殊领域的问题,它广泛应用于农业、地质、气象等学科。3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发展灰色系统理论的建立、应用和发展n1985年,国防工业出版社出版了邓聚龙教授的第部灰色系统专著灰色系统(社会经济)。n 1985年至1992年,华中理工大学出版社先后出版发行了邓聚龙教
7、授有关灰色系统的六部著作:其中灰色控制系统和灰色系统理论教程等被多次重印、再版,成为畅销科技国书。同内其它出版单位以及美国IIGSS学术出版社也都编辑出版了灰色系统的著作。3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发展灰色系统理论的建立、应用和发展n1989年,英国科技信息服务中心和万国学术出版社联合创办了国际性刊物“The Journal of Grey system”(灰色系统学报),该刊被英国科学文摘(SA)等权威性检索机构列为核心期刊。3.1.1 灰色系统理论的建立、应用和发展灰色系统理论的建立、应用和发展3.灰色系统理论的应用和发展灰色系统理论的应用和发展 灰色系统理论的主要内容有:GM
8、模型灰色预测灰关联分析灰色统计与聚类灰色决策灰色控制GM(1,1)n定义型定义型 n白化型白化型n白化响应式白化响应式灰色灰色预测预测-1-1nGM(1,1)之预测方程:灰色灰色预测预测-2-2n建立GM(1,1)之步骤:n输入:一原始数据序列。n輸出:GM(1,1)预测模型。n步骤 1:求出累加生成序列如下:n步骤 2:求出之均值序列如下:灰色灰色预测预测-3-3n步骤 3:求中件参数C,D,E,F如下:n步骤 4:计算式(1)中之a、b系数如下:发展系数灰作用量灰色灰色预测预测-4-4n假设一时间序列如下所示:37471.99,37460.05,37222.60,36895.52,3573
9、4.30 灰色灰色预测预测-5-5灰灰预测预测n先建立GM(1,1)模型,依据此模型进行预测。分为:n数列灰预测数列灰预测n灾变灰预测灾变灰预测n季节灾变灰预测季节灾变灰预测3.1.2 灰色系统理论的基本概念灰色系统理论的基本概念1.灰色系统理论的两条基本原理灰色系统理论的两条基本原理 灰概念:概念是人类在认识世界和改造世界的过程中产生、形成并发展的。根据人们对概念的认识层次,可将概念分为四种类型。n白色概念白色概念:即内涵和外延完全确定的概念。n灰色概念灰色概念:内涵不确定而外延确定的概念。n模糊概念模糊概念:即内涵明确,外延不确定的概念。n灰色模糊概念灰色模糊概念:指内涵、外远均不确定的概
10、念。3.1.2 灰色系统理论的基本概念灰色系统理论的基本概念 2.灰数、灰元、灰关系灰数、灰元、灰关系 灰数、灰元、灰关系是灰色系统的特征标志。(1)灰数)灰数:指信息不完全的数,即只知大概范围不知道其确切值的数。灰数不是一个数,而是一个数集,一个数的区间,记为 。这里表示灰或灰色。n所谓灰数的白化值是指今a为区间,ai为a中的数,若在a中取值,则称ai为的一个可能的白化值。符号:一般灰数 (ai)以ai为白化值的灰数 或 是的白化值 可以是ai,也可以不是ai,这取决于取数时获得的 补充信息。3.1.2 灰色系统理论的基本概念灰色系统理论的基本概念 一般来说,在区间内灰数的取值机会不一定均等
11、(这种机会的多少是白化权函数表示的);通过补充信息,灰数 的区间可能发生变动,也可能使灰数转化为白数。3.1.2 灰色系统理论的基本概念灰色系统理论的基本概念若按性质对灰数的分类,则可分为三种类型:nA信息型灰数信息型灰数 称暂时缺乏信息而不能肯定其取值的灰数,称为信息型灰数。如,预计某人今年的收入为30004000元,记为 。到年终时即可确定灰数的白化值。nB概念型灰数概念型灰数 称由人们的某种观念,意愿形成的灰数位概念型灰数。如,利润越大越好。nC层次型灰数层次型灰数 称认识层次改变后形成的灰数位层次型灰数。如,某人身高1.65米,全班人的身高为1.51.7米,因此身高为灰数。3.1.2
12、灰色系统理论的基本概念灰色系统理论的基本概念(2)灰元)灰元n信息不完全的元素为会元或灰参数(目前,因为灰元与会参数的定义不明确,因为不易区别。我们认为,将方程中列为变量的一类数,可称为灰元;而方程中其他的数,则可称为灰参数)。常见的灰参数有以下类型。含有灰系数的方程,称为灰方程。含有灰元素的矩阵,称为灰矩阵。3.1.2 灰色系统理论的基本概念灰色系统理论的基本概念n(3)灰关系)灰关系 称信息不完全的关系为灰关系。3.2 灰色关联分析灰色关联分析n3.2.1 基本概念 n3.2.2 灰色关联因素和关联算子集 n3.2.3 灰色关联公理与灰色关联度 3.2.1 基本概念基本概念 灰色关联分析的
13、基本思想灰色关联分析的基本思想:根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。曲线越接近,相应序列之间的关联度就越大,反之就越小。3.2.1 基本概念基本概念 例如某地区农业总产值X0、种植业总产值、畜牧业总产值X2和林果业总产值X3,从2003年到2008年共6年的统汁数据如下:3.2.1 基本概念基本概念1.概念概念 灰色关联是指事物之间的不确定关联,是系统因子之间、因子对主行为之间的不确定关联。灰色关联分析是灰色系统理论的主要研究内容之一,它是对运行机制与物理原型不清楚的灰关系序列化、模式化,进而建立灰关联分析模型,使灰关系量化、序化、显化。3.2.1 基本概念基本概念 2.意义意
14、义 作为灰色关联分析的重要研究领域之一,优势分析在社会经济与管理问题中得到了较为广泛的应用,如ACURAD压铸生产过程的优化、科技创新能力的评价、环境质量分析,冻土的冻胀系数和融沉系数分析和科技投入绩效评价中等。进行优势分析,对于研究社会经济与管理问题,合理地分配和使用人力、物力、财力资源,统筹安排各个部门和各项生产的发展,提高社会经济和社会效益,都有着十分重要的意义。3.2.1 基本概念基本概念3.计算方法与步骤如下计算方法与步骤如下(1)将时间序列的原始数据作初值化变换处理,消除量纲,增强各因素之间的可比性。(2)求关联系数,并从中找出极大值与极小值。n首先,求参考数列x0与各比较数列xi
15、之间的差列:n其次,从差列i(k)中找出最小值和最大值:min ,max 。最后,从不同比较数列最小、最大值中再分别取最小、最大值:min min ,max max 。3.2.1 基本概念基本概念n(3)取分辨系数:01,本研究取05。n(4)求关联系数:i(k)=n(5)求关联度3.2.2灰色关联因素和关联算子集灰色关联因素和关联算子集 进行系统分析,选准系统行为待征的映射量后,还需进一步明确影响系统上行为的有效因素如要作量化研究分析,则需对系统行为特征映射量和各有效因素进行适当处理,通过算子作用,使之化为数量级大体相近的无量纲数据,并将负相关出素转化为正相关因素。3.2.2灰色关联因素和关
16、联算子集灰色关联因素和关联算子集n定义定义3.2.21:设 为系统因素,其在序号k上的观测数据为 ,kl,2,n,则 称为因素的行为序列;若k为时间序号,为因素 在k时刻的观测数据,则称 为因素 的行为时间序列;若k为指标序号,为因素 关于第k个指标的观测数据,则称 为因素 的行为指标序列;若k为观测对象序号,为因素 关于第k个对象的观测数据,则称 为因素 的行为横向序列。3.2.2灰色关联因素和关联算子集灰色关联因素和关联算子集n定义定义3.2.22:设 为因素 的行为序列,D1为序列算子,且,其中n则称D1为初值化算子,为原像,为 在初值化算子D1下的像,简称为初值像。3.2.2灰色关联因
17、素和关联算子集灰色关联因素和关联算子集n定义定义3.2.23:设:设 为因素为因素 的行为序列,的行为序列,D2为序列算为序列算子,且子,且 其中其中n则称则称D2为均值化算子,且为均值化算子,且 为为 在均值算子在均值算子D2下得像,简称均值像。下得像,简称均值像。3.2.2灰色关联因素和关联算子集灰色关联因素和关联算子集n定义定义3.2.24:设:设 为因素为因素 的行的行为序列,为序列,D3为序列算子,且为序列算子,且 其中其中n则称则称 D3为区间值化算子,为区间值化算子,为区间值像。为区间值像。3.2.2灰色关联因素和关联算子集灰色关联因素和关联算子集n命题命题3.2.21:均值化算
18、子D1,均值化算子D2和区间化算子D3皆可使系统行为序列无量纲化,且在数量上规一。一般地,D1,D2和D3不宜混合、重叠作用,在进行系统因素分析时,可根据实际情况选用其中的一个。3.2.2灰色关联因素和关联算子集灰色关联因素和关联算子集n定义定义3.2.25:设:设 ,为因素 的行为序列,D4为序列算子,且 其中n则称D4为逆化算子,为行为序列在逆化算子D4下的像,简称逆化像。3.2.2灰色关联因素和关联算子集灰色关联因素和关联算子集n命题命题3.2.22:任意行为序列的区间值像有逆化像。事实上,区间值像中的数据皆属于区间,故可以定义逆化算子。3.2.2灰色关联因素和关联算子集灰色关联因素和关
19、联算子集n定义定义3.2.26:设:设 为因素为因素 的列,的列,D5为序列算子,为序列算子,且且 其中其中n则称则称D5为倒数化算子,为倒数化算子,为倒数化像。为倒数化像。3.2.2灰色关联因素和关联算子集灰色关联因素和关联算子集n命题命题3.2.23:若系统因素:若系统因素 与系统主行为呈负相关关系,与系统主行为呈负相关关系,则则 的逆化算子作用像的逆化算子作用像 和倒数化算子作用像和倒数化算子作用像 与与 具有正相关关系。具有正相关关系。3.2.2灰色关联因素和关联算子集灰色关联因素和关联算子集n定义定义3.2.27:称 为灰色关联算子集n定义定义3.2.28:设X为系统因素集合,为灰色
20、关联算子集,称(X,D)为灰色关联因子空间。3.2.3 灰色关联公理与灰色关联度灰色关联公理与灰色关联度n定义定义3.2.31:,则 称为序列X所对应的折线。这里,我们对序列和折线采用了相同的记号,为叙述简便起见,在讨论时,往往对序列和它所应的折线不加区别。3.2.3 灰色关联公理与灰色关联度灰色关联公理与灰色关联度命题命题3.2.31 设系统特征行为序列设系统特征行为序列 为增长序列,为增长序列,为相关为相关因素行为序列,则有因素行为序列,则有(1)当)当 为增长序列时,为增长序列时,与与 为正相关关系;为正相关关系;3.2.3 灰色关联公理与灰色关联度灰色关联公理与灰色关联度n定义3.2.
21、33:设 为系统特征序列,且n为相关因素序列,给定实数 ,若实数3.2.3 灰色关联公理与灰色关联度灰色关联公理与灰色关联度3.2.3 灰色关联公理与灰色关联度灰色关联公理与灰色关联度n在灰色关联公理中,为 对 的灰色关联度,为 对 在k点的关联系数,并称条件10,20,30,40为灰色关联四公理。灰色关联度的计算步骤如下:3.2.3 灰色关联公理与灰色关联度灰色关联公理与灰色关联度第一步:求各序列中的初值像(或均值像),令3.2.3 灰色关联公理与灰色关联度灰色关联公理与灰色关联度第二步:求差序列,记3.2.3 灰色关联公理与灰色关联度灰色关联公理与灰色关联度n第三步:求两级最大差与最小差,
22、记3.2.3 灰色关联公理与灰色关联度灰色关联公理与灰色关联度n第四步:求关联系数3.2.3 灰色关联公理与灰色关联度灰色关联公理与灰色关联度n第五步:计算关联度例题:工业、农业、运输业,商业各部门的行业例题:工业、农业、运输业,商业各部门的行业数据如下:数据如下:n解:1o先以X1为系统特征系列求关联度3.3灰色聚类评估灰色聚类评估n3.3.1 灰色关联聚类 n3.3.2 灰色变权聚类 3.3灰色聚类评估灰色聚类评估 灰色聚类是根据灰色关联矩阵或灰数的白化权函数将一些观测指标或观测对象聚集成若干个可定义类别的方法。一个聚类可以看作是属于同一类的观测对象的集合,在实际问题中,往往是每个观测对象
23、具有许多个特征指标,难以进行准确的分类。3.3.1灰色关联聚类灰色关联聚类 设有n个观测对象,每个对象观测m个特征数值,得到序列如下:3.3.1灰色关联聚类灰色关联聚类n对所有的ij,i,j=1,2,m,计算出 与 的绝对关联度 ,得上三角矩阵n其中 =1,i=1,2,m.3.3.1灰色关联聚类灰色关联聚类n定义定义3.3.11,上述矩阵,上述矩阵A称为特征变量关联矩阵称为特征变量关联矩阵取定临界值取定临界值 ,一般要求,一般要求0.5,当当 时,则视为同时,则视为同类特征。类特征。n定义定义3.3.22:特征变量在临界值:特征变量在临界值r下的分类称为特征变量的下的分类称为特征变量的r灰色关
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