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灰色系统理论:信息缺乏下的问题解决策略
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更新于2024-07-23
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灰色系统理论是一种处理实际问题的工具,它关注的是那些内部结构、参数和特征部分未知或者信息不足的问题。这类问题在客观世界中广泛存在,例如社会系统、农业系统和生态系统,它们与白色系统(如工程技术系统)形成对比。白色系统的特点是信息充足、规律明显,可以通过定量描述建立清晰模型,而灰色系统则由于信息不完全,模型构建更为复杂。 灰色系统理论的核心是从系统本身的本征性质出发,即使在信息匮乏或混乱的情况下,通过逻辑推理和经验积累来构建模型。它并不追求完全揭示系统的内部机理,而是侧重于处理和利用已知的部分信息,通过灰色关联度、灰色聚类等方法来分析和解决问题。这种理论认为,系统的颜色(白色、灰色或黑色)是相对的,取决于观察者的知识背景和理解程度。 举例来说,对于粮食作物生产这个实际问题,尽管科技发展使我们能够进行定量分析,但在许多情况下,农民可能无法精确预测气候变化、病虫害等因素对产量的影响,这就形成了一个灰色系统。研究者需要结合已有的气候数据、土壤条件等有限信息,运用灰色理论来估算可能的风险和优化策略,而不仅仅是定性描述。 在实际应用中,灰色系统理论被广泛用于决策支持、预测、控制等领域,尤其是在工程设计、环境保护、经济管理等多学科交叉领域,其适应性和灵活性使其成为解决复杂问题的有效工具。灰色系统理论提供了一种在信息不完全情况下处理实际问题的新视角,强调了知识的灰色地带在科学研究和实践中的重要性。
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-423-
则称
3
x 为优势子因素。
如果矩阵
R
的某个元素达到最大,则该行对应的母因素被认为是所有母因素中影
响最大的。
为简单起见,先来讨论一下“对角线”以上元素为零的关联矩阵,例如
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
0504.07.02.08.03.0
009.07.06.04.0
0003.07.07.0
00005.06.0
000008.0
R
因为第 1 列元素是满的,故称第 1 个子元素为潜在优势子因素。第 2 列元素中有一个元
素为零,故称第 2 个子因素为次潜在优势子因素。余下类推。
当关联矩阵的“对角线”以下全都是零元素,则称第 1 个母因素为潜在优势母因
素……,为了分析方便,我们经常把相对较小的元素近似为零,从而使关联矩阵尽量稀
疏。
我们参考一个实际问题。
例 2 某地区有 6 个母因素
i
y (
6,,2,1 "
=
i
),5 个子因素
j
x
(
5,,2,1 "=j
)如
下:
1
x :固定资产投资
1
y :国民收入
2
x :工业投资
2
y :工业收入
3
x :农业投资
3
y :农业收入
4
x :科技投资
4
y :商业收入
5
x :交通投资
5
y :交通收入
6
y :建筑业收入
其数据列于表 4。
表 4 投资和收入数据
1979 1980 1981 1982 1983
1
x
308.58 310 295 346 367
2
x
195.4 189.9 187.2 205 222.7
-424-
3
x
24.6 21 12.2 15.1 14.57
4
x
20 25.6 23.3 29.2 30
5
x
18.98 19 22.3 23.5 27.655
1
y
170 174 197 216.4 235.8
2
y
57.55 70.74 76.8 80.7 89.85
3
y
88.56 70 85.38 99.83 103.4
4
y
11.19 13.28 16.82 18.9 22.8
5
y
4.03 4.26 4.34 5.06 5.78
6
y
13.7 15.6 13.77 11.98 13.95
根据表 4 的数据,利用如下的 MATLAB 程序
clc,clear
load data.txt %把原始数据存放在纯文本文件 data.txt 中
n=size(data,1);
for i=1:n
data(i,:)=data(i,:)/data(i,1); %标准化数据
end
ck=data(6:n,:);m1=size(ck,1);
bj=data(1:5,:);m2=size(bj,1);
for i=1:m1
for j=1:m2
t(j,:)=bj(j,:)-ck(i,:);
end
jc1=min(min(abs(t')));jc2=max(max(abs(t')));
rho=0.5;
ksi=(jc1+rho*jc2)./(abs(t)+rho*jc2);
rt=sum(ksi')/size(ksi,2);
r(i,:)=rt;
end
r
计算出各个子因素对母因素的关联度(这里取
5.0
=
ρ
),从而得到关联矩阵为
-425-
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
632.0607.0562.0766.0743.0
921.0804.0565.0774.0811.0
731.0780.0568.0663.0678.0
675.0577.0579.0858.0891.0
800.0885.0529.0666.0689.0
936.0810.0557.0
761.0802.0
R
从关联矩阵
R
可以看出:
(1)第 4 行元素几乎最小,表明各种投资对商业收入影响不大,即商业是一个不
太需要依赖外资而能自行发展的行业。从消耗投资上看,这是劣势,但从少投资多收入
的效益观点看,商业是优势。
(2)
936.0
15
=r 最大,表明交通投资的多少对国民收入的影响最大。也可以从此
看出交通的影响。
(3)
921.0
55
=r 仅次于
15
r ,表明交通收入主要取决于交通投资,这是很自然的。
(4)在第 4 列中
0.885
24
=r 最大,表明科技对工业影响最大;而 0.577
34
=r 是
该列中最小的,表明从全面来衡量,还没有使科技投资与农业经济挂上钩,即科技投资
针对的不是农村需要的科技。
(5)第三行的前 3 个元素比价大,表明农业是个综合性行业,需其它方面的配合,
例如,
0.891
31
=r 表明固定资产投资能够较大地促进农业的发展。另外, 858.0
32
=r 表
明农业发展与交通发展也是密切相关的。
§4 生成数
4.1 累加生成
在研究社会系统、经济系统等抽象系统时,往往要遇到随机干扰(即所谓“噪声”)。
人们对“噪声”污染系统的研究大多基于概率统计方法。但概率统计方法有很多不足之
处:要求大量数据、要求有典型的统计规律、计算工作量等。而且在某些问题中,其概
率意义下的结论并不直观或信息量少。例如,预报某天下雨的概率是 0.5,晴天的概率
也是 0.5,这种结论对于人们来讲毫无意义。
灰色系统理论把一切随机量都看作灰色数—即在指定范围内变化的所有白色数的
全体。对灰色数的处理不是找概率分布或求统计规律,而是利用数据处理的办法去寻找
数据间的规律。通过对数列中的数据进行处理,产生新的数列,以此来挖掘和寻找数的
规律性的方法,叫做数的生成。数的生成方式有多种:累加生成、累减生成以及加权累
加等等。这里主要介绍累加生成。
定义 5 把数列
x
各时刻数据依次累加的过程叫做累加过程,记作 AGO,累加所
得的新数列,叫做累加生成数列。具体地,设原始数列为
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