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模糊數(shù)學(xué)

 Hust書讀天下 2014-10-28

1 基本簡介

二十世紀(jì)六十年代,產(chǎn)生了模糊數(shù)學(xué)這門新興學(xué)科。 現(xiàn)代數(shù)學(xué)是建立在集合論的基礎(chǔ)上。集合論的重要意義就一個側(cè)面看,在與它把數(shù)學(xué)的抽象能力延伸到人類認(rèn)識過程的深處。一組對象確定一組屬性,人們可以通過說明屬性來說明概念(內(nèi)涵),也可以通過指明對象來說明它。符合概念的那些對象的全體叫做這個概念的外延,外延其實就是集合。從這個意義上講,集合可以表現(xiàn)概念,而集合論中的關(guān)系和運(yùn)算又可以表現(xiàn)判斷和推理,一切現(xiàn)實的理論系統(tǒng)都一可能納入集合描述的數(shù)學(xué)框架。

2 產(chǎn)生原因

模糊數(shù)學(xué)模糊數(shù)學(xué)物質(zhì)運(yùn)動創(chuàng)造了人腦,人腦又創(chuàng)造了物質(zhì)和精神兩大文明。在物質(zhì)和文化兩類人造產(chǎn)物中最具特色的要算數(shù)學(xué)及其物化產(chǎn)物------電子計算機(jī)。而電子計算機(jī)對人腦的內(nèi)在模擬所提出機(jī)器智能問題。又刺激著數(shù)學(xué)的變革。精確性是經(jīng)典數(shù)學(xué)的一大特色,經(jīng)典數(shù)學(xué)在幾十年歷史的理論和應(yīng)用中,又建造了無數(shù)令人驚嘆的宏偉精美的大廈。譜寫了足以流連忘返的經(jīng)典樂章。贏得了“科學(xué)皇后”的美名。但是,現(xiàn)代科學(xué)特別是計算機(jī)科學(xué)的迅猛發(fā)展,經(jīng)典數(shù)學(xué)從本質(zhì)上來說已經(jīng)不適應(yīng)了,在處理現(xiàn)代客觀事物時,顯然力不從心,最根本的原因是:精確性經(jīng)典數(shù)學(xué)揚(yáng)棄模糊性。而大自然最具普遍的現(xiàn)象,人類大腦是最具靈活的特征恰恰在于具有模糊性。精確性與模糊性是對立的,這是當(dāng)今科學(xué)發(fā)展所面臨的一個非常突出的矛盾,但這又間接闡明了模糊性是精確性的另一半。孰重孰輕暫未知曉,等待后人證實。在今天的科學(xué)發(fā)展中,人們再也無法回避模糊性,并對越來越多的“正統(tǒng)”概念進(jìn)行本質(zhì)上的改造,使之重新描述大自然是大腦智慧中非清晰,非絕對化的一面,于是歷史的辯證法顯示出一顆奇特的種子----在精確的搖籃中,模糊數(shù)學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

其實,自由以來,人們就對語言中許多詞的模糊性和相對性有所認(rèn)識。1904年,法國物理學(xué)家杜恩(P.Duhem)在其《物理理論的目的和結(jié)構(gòu)》藝術(shù)中說“同一般常識的模糊陳述,正因其比較精確,反而比較不確定。”1923年,大哲學(xué)家羅素(B.russel)在其著名論文《論模糊性》中提出“整個語言或多或少是模糊的?!彼貏e強(qiáng)調(diào):“當(dāng)運(yùn)用于精確符號時,排中律是有效的,但是當(dāng)符號是模糊的時候,排中律就無效了?!北M管羅素聲名顯赫,但他發(fā)表的這篇文章并未引起當(dāng)時學(xué)術(shù)界對模糊性或含模糊性研究很大的興趣,這并不是因為這個問題不重要,也不是因為作者水平有限,而因為“時候未到”,這也可以看出偉大的科學(xué)家的思想往往是超前的。

3 研究內(nèi)容

第一,研究模糊數(shù)學(xué)的理論,以及它和精確數(shù)學(xué)、隨機(jī)數(shù)學(xué)的關(guān)系。

查德以精確數(shù)學(xué)集合論為基礎(chǔ),并考慮到對數(shù)學(xué)的集合概念進(jìn)行修改和推廣。他提出用“模糊集合”作為表現(xiàn)模糊事物的數(shù)學(xué)模型。并在“模糊集合”上逐步建立運(yùn)算、變換規(guī)律,開展有關(guān)的理論研究,就有可能構(gòu)造出研究現(xiàn)實世界中的大量模糊的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),能夠?qū)磥硐喈?dāng)復(fù)雜的模糊系統(tǒng)進(jìn)行定量的描述和處理的數(shù)學(xué)方法。

在模糊集合中,給定范圍內(nèi)元素對它的隸屬關(guān)系不一定只有“是”或“否”兩種情況,而是用介于0和1之間的實數(shù)來表示隸屬程度,還存在中間過渡狀態(tài)。比如“老人”是個模糊概念,70歲的肯定屬于老人,它的從屬程度是 1,40歲的人肯定不算老人,它的從屬程度為 0,按照查德給出的公式,55歲屬于“老”的程度為0.5,即“半老”,60歲屬于“老”的程度0.8。查德認(rèn)為,指明各個元素的隸屬集合,就等于指定了一個集合。當(dāng)隸屬于0和1之間值時,就是模糊集合。

第二,研究模糊語言學(xué)和模糊邏輯。

人類自然語言具有模糊性,人們經(jīng)常接受模糊語言與模糊信息,并能做出正確的識別和判斷。

為了實現(xiàn)用自然語言跟計算機(jī)進(jìn)行直接對話,就必須把人類的語言和思維過程提煉成數(shù)學(xué)模型,才能給計算機(jī)輸入指令,建立合適的模糊數(shù)學(xué)模型,這是運(yùn)用數(shù)學(xué)方法的關(guān)鍵。查德采用模糊集合理論來建立模糊語言的數(shù)學(xué)模型,使人類語言數(shù)量化形式化。

如果我們把合乎語法的標(biāo)準(zhǔn)句子的從屬函數(shù)值定為1,那么,其他近義的,以及能表達(dá)相仿的思想的句子,就可以用以0到1之間的連續(xù)數(shù)來表征它從屬于“正確句子”的隸屬程度。這樣,就把模糊語言進(jìn)行定量描述,并定出一套運(yùn)算、變換規(guī)則。目前,模糊語言還很不成熟,語言學(xué)家正在深入研究。

人們的思維活動常常要求概念的確定性和精確性,采用形式邏輯的排中律,即:非真即假,然后進(jìn)行判斷和推理,得出結(jié)論?,F(xiàn)有的計算機(jī)都是建立在二值邏輯基礎(chǔ)上的,它在處理客觀事物的確定性方面,發(fā)揮了巨大的作用,但是卻不具備處理事物和概念的不確定性或模糊性的能力。

為了使計算機(jī)能夠模擬人腦高級智能的特點,就必須把計算機(jī)轉(zhuǎn)到多值邏輯基礎(chǔ)上,研究模糊邏輯。目前,模糊邏輯還很不成熟,尚需繼續(xù)研究。

第三,研究模糊數(shù)學(xué)的應(yīng)用。

模糊數(shù)學(xué)是以不確定性的事物為其研究對象的。模糊集合的出現(xiàn)是數(shù)學(xué)適應(yīng)描述復(fù)雜事物的需要,查德的功績在于用模糊集合的理論找到解決模糊性對象加以確切化,從而使研究確定性對象的數(shù)學(xué)與不確定性對象的數(shù)學(xué)溝通起來,過去精確數(shù)學(xué)、隨機(jī)數(shù)學(xué)描述感到不足之處,就能得到彌補(bǔ)。在模糊數(shù)學(xué)中,目前已有模糊拓?fù)鋵W(xué)、模糊群論、模糊圖論、模糊概率、模糊語言學(xué)、模糊邏輯學(xué)等分支。

4 應(yīng)用范疇

模糊數(shù)學(xué)是一門新興學(xué)科,它已初步應(yīng)用于模糊控制、模糊識別、模糊聚類分析、模糊決策、模糊評判、系統(tǒng)理論、信息檢索、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等各個方面。在氣象、結(jié)構(gòu)力學(xué)、控制、心理學(xué)等方面已有具體的研究成果。然而模糊數(shù)學(xué)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域是計算機(jī)智能,不少人認(rèn)為它與新一代計算機(jī)的研制有密切的聯(lián)系。

目前,世界上發(fā)達(dá)國家正積極研究、試制具有智能化的模糊計算機(jī),1986年日本山川烈博士首次試制成功模糊推理機(jī),它的推理速度是1000萬次/秒。1988年,我國汪培莊教授指導(dǎo)的幾位博士也研制成功一臺模糊推理機(jī)——分立元件樣機(jī),它的推理速度為1500萬次/秒。這表明我國在突破模糊信息處理難關(guān)方面邁出了重要的一步。

模糊數(shù)學(xué)還遠(yuǎn)沒有成熟,對它也還存在著不同的意見和看法,有待實踐去檢驗。

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