第一章绪论第二章粒计算常见模型第三章第一节哲学基础ppt课件.ppt
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1、粒计算及其应用,梁俊奇 数学与信息科学学院,教学内容、教学时数,第一章 绪论 4学时第二章 粒计算的常见模型 2学时第三章 粗糙集模型 28学时 第一节 各种集合理论的哲学基础 2学时 第二节 经典集合与等价关系 2学时 第三节 Pawlak.Z粗糙集模型 8学时 第四节 常见广义粗糙集模型 8学时 第五节 简单应用决策分析 6学时,第一章 绪 论,内容提要 一、软计算(Soft Computing,SC) 二、粒计算(Granular Computing,GrC),0.引言:确定性和不确定性,秃头悖论问题;精确数学是描述确定性规律的;概率论是揭示随机现象的统计规律性,是对精确数学的突破,但不
2、排斥概率统计模型可能转化为精确数学模型去处理;模糊集和粗糙集是揭示模糊现象的亦此亦彼的规律性,是对精确数学的突破,但不排斥模糊学模型可能转化为概率统计模型甚至精确数学模型去处理;随机性和模糊性是不确定性的两个方面,确定值可以被看作是不确定性的特例。,不确定性:,随机性模糊性不完全性不稳定性不一致性,不确定性的魅力!,随机性和模糊性的关联性,对不确定性现象的研究,并不一定非要分别从随机性和模糊性入手去认识,也不一定非要去区分随机体现在那里,模糊在哪里。,视觉的不确定性,视觉的错觉,认知的不确定性,模式识别(人脸识别)的不确定性,身份识别表情识别性别识别年龄识别性格识别人种识别 .,手语 (Sig
3、n language)识别:,内容识别图形识别身份识别年龄识别风格识别 .,文字识别:,内容识别写字人身份识别性别识别年龄识别风格(性格)识别字体识别 .,声音识别:,内容识别说话人身份识别性别识别年龄识别性格识别字体识别 .,语调(情感)识别音乐识别方言识别语种识别 .,纹理识别:,静态纹理指纹脸纹声纹皮、石、木、布纹草地、森林、海滩 .,动态纹理海浪喷泉烟雾云彩瀑布 .,思维的不确定性,思维有精确的一面,更有不确定的一面。人类习惯于用自然语言进行思维,思维的结果往往是可能如何、大概如何等定性的结论。 人类还擅长通过联想的、直觉的、创造的形象思维来思考,很少象计算机一样做精确的数学运算或者逻
4、辑推理,但是这并不妨碍人类具有发达的、灵活的智能,并不妨碍人类具有发达的、灵活的模式识别能力。,自然界中的不确定现象,随机模糊混沌分形复杂网络,不确定性的基础科学问题,不确定性知识的形式化表达问题,即 不确定性知识的表示问题。,不确定性知识的最好表示,就是使用自然语言表示!要研究自然语言基元的定性定量转换模型,给出不确定性转换模型的形式化方法。,研究人类认知活动的切入层次,人脑亚细胞的化学、电学层次,人脑的神经构造层次,自然语言层次,数学语言层次,符号语言层次,脑科学,神经科学,不确定性人工智能,数学,传统人工智能,基本理念:,人脑的思维基本上不是纯数学的;自然语言具有不可替代性;自然语言中的
5、基元是语言值,它对应的概念,是人类思维的基本细胞。数据和概念之间的转换是不确定性人工智能研究的基石。,不确定性的度量熵,热力学熵 熵增加原理玻尔兹曼熵 分子运动的无序程度和混乱程度仙农熵 拓扑熵云模型中的熵和超熵,一、软计算(Soft Computing,SC)1.软计算的概念 传统计算(硬计算)的主要特征是严格、确定和精确。但是硬计算并不适合处理现实生活中的许多问题,例如驾驶汽车、秃子问题。而软计算通过对不确定、不精确及不完全真值的容错以取得低代价的解决方案和鲁棒性。,2.软计算的特点 (1)不需要建立问题本身的精确数学或逻辑模型,而是直接对输入数据进行处理得出结果; (2)更适用于解决哪些
6、传统AI技术难以有效地处理、甚至无法处理的问题; (3)只有数值数据可利用时可以用神经网络; (4)处理具有模糊性的知识,可以使用模糊逻辑; (5)从多个组合中选优,可以使用遗传算法。,二、粒计算(granular computing,GrC),1.粒计算的基本概念 信息粒广泛存在于我们的现实生中是对现实的一种抽象,信息粒化是人类处理和存储信息的一种反映。粒计算对人类的问题求解非常重要它通过把复杂问题抽象、划分从而转化为若干较为简单的问题有助于我们更好的分析和解决问题。 粒计算是一种看待客观世界的世界观和方法论,粒计算的基本概念主要有粒子、粒层和粒结构.粒子:粒子是构成粒计算模型的最基本元素,
7、是粒计算模型的原语,没有十分确切的定义粒子具有双重身份,一个粒子的元素可以是粒子,一个粒子也可以是另外一个粒子的元素而衡量粒子“大小”的概念是粒度,一般来讲,对粒子进行“量化”时用粒度来反映粒化的程度现实世界中,粒子无处不在,如一座办公大楼,这座大楼是由很多楼层组成的,每个楼层又包含了很多房间,每个房间又被分成小的办公区域。相对于整个社区环境,这座大楼是一个整体,是一个粒子,它的外墙及外形设计就是它的外在属性。相对于更小的组成部分,这座大楼是复杂的分层结构,它的内部组成和划分就是它的内在属性。,粒层:按照某个实际需求的粒化准则得到的所有粒子的全体构成一个粒层,是对问题空间的一种抽象化描述根据某
8、种关系或算子,问题空间产生相应的粒子同一层的粒子内部往往具有相同的某种性质或功能由于粒化的程度不同,导致同一问题空间会产生不同的粒层粒层的内部结构是指在该粒层上的各个粒子组成的论域的结构,即粒子之间的相互关系在问题求解中,选择最合适的粒层对于问题求解尤为关键,因为在不同粒层求解同一问题的复杂度往往不同在高一级粒层上的粒子能够分解成为下一级粒层上的多个粒子(增加一些属性),在低一级粒层上的多个粒子可以合并成高一级粒层上的粒子(忽略一些属性)粒计算模型的主要目标是能够在不同粒层上进行问题求解,且不同粒层上的解能够相互转化.,粒结构:一个粒化准则对应一个粒层,不同的粒化准则对应多个粒层,它反应了人们
9、从不同角度、不同侧面来观察问题、理解问题、求解问题所有粒层之间的相互联系构成一个关系结构,称为粒结构粒结构给出了一个系统或者问题的结构化描述,粒计算模型的主要目标是能够在不同粒层上进行问题求解,且不同粒层上的解能够相互转化。粒结构, 一个粒化准则对应一个粒层, 不同的粒化准则对应多个粒层, 粒层之间的相互联系构成一个关系结构, 称为粒结构。在一般的粒计算理论中, 把同一粒层的粒子看成一个集合, 通常并不考虑粒子之间的结构关系, 而在我们的商空间理论中, 粒层中的粒子间具有结构关系, 因此我们所谈的粒结构, 通常既指粒层间的结构关系, 同时又指粒层中的结构。,2.粒计算的基本问题,根据粒计算的上
10、述模型与概念, 可以看到, 粒计算中存在2个基本问题: 粒化和基于粒化的计算。即如何构造这个模型, 以及根据这个模型的计算。粒化, 是问题空间的一个划分过程, 它可以简单理解为在给定粒化准则下(如等价关系)得到一个粒层的过程, 是粒计算的基础, 通过粒化我们可以得到问题空间的层次间与层次内部的结构。在同一或者不同的粒化准则下均可得到多个粒层, 形成多层次的网络结构。粒计算通过访问粒结构求解问题, 包括在层次结构中自上而下、或者自下而上2个方向的交互, 以及在同一层次内部的移动。即不同粒层上粒子之间的转换与推理, 以及同一粒层上粒子之间相互交互,形成所谓的多粒度计算。,第一章作业,1.举例说明不
11、确定性现象的客观存在性。2.如何表示不确定性知识?表示不确定知识的基本理念有哪些?,第二章 粒计算的常见模型,内容提要词计算粗糙集商空间云计算,粒计算的主要模型,粒计算模型大体分为2大类: 一类以处理不确定性为主要目标, 如以模糊处理为基础的计算模型(Fuzzy set,词计算),以粗糙集为基础的计算模型(Rough set);另一类则以多粒度计算为目标, 如商空间理论。,这2类模型的侧重点有所不同, 前者在粒化过程中, 侧重于计算对象的不确定性处理, Zadel认为,在人类推理与概念形成中, 其粒度几乎都是模糊的, 因此他认为以模糊概念为基础的词计算, 是粒计算的主要组成部分。以Pawlak
12、 为首的波兰学者提出的粗糙集理论, 其基础也是基于“思维的计算,即关于含糊、不清晰概念的近似推理” 。而多粒度计算的思想则来源于Hobbs的如下思想“人类问题求解的基本特征之一, 就是具有从不同的粒度上观察世界, 并很容易地从一个抽象层次转换到其它层次的能力, 即分层次地处理它们”。因此多粒度计算的目的是为了降低处理复杂问题的复杂性。,词计算模型,词计算(computing with words)是用词语代替数进行计算及推理的方法,它基于模糊集合.,高标准的精确表达,普遍存在于数学、化学、工程学和另外一些“硬”科学之中,而不精确表达却普遍存在于社会、心理、政治、历史、哲学、语言、人类学、文学、
13、文艺及相关的领域中.针对复杂且非明晰定义的现象,无法用精确的数学方法来描述,但可以用一些程度词语,如不很可能、十分不可能、极不可能等,来对某些模糊概念进行修饰尽管普通的精确方法(如数学)在某些科学领域应用相当广泛,也一直尝试着应用到人文学科中,但人们在长期的实践中已经清楚地认识到精确的方法应用到人文学科有很大的局限性面对巨大而又复杂的人文学科系统,区别于传统方法的新方法模糊计算方法被L.A.Zadeh提出,粗糙集模型,一个对象属于某个集合的程度随着属性粒度的不同而不同,为了更好地刻画集合边界的模糊性,波兰学者Z.Pawlakg在20世纪80年代提出了粗糙集理论,其本质思想是利用不可分辨关系(等
14、价关系)来建立论域的一个划分,得到不区分的等价类,即不同属性粒度下的概念粒,从而建立一个近似空间 (由不同大小的概念粒形成),在近似空间上,用2个精确的集合(上近似集和下近似集)来逼近一个边界模糊的集合如果近似空间的粒度较粗,被近似的集合的边界域较宽,而如果近似空间的粒度较细,被近似集合的边界域较窄 等价关系的泛化是推广粗糙集模型的一种重要手段.所谓等价关系的泛化问题实质上就是将满足等价关系的3个条件(自反、对称、传递)根据实际问题进行组合,得到不同的二元关系,再根据这些二元关系得到不同的模型,商空间模型,张钹和张铃在研究问题求解时,提出了商空间理论,他们指出“人类智能的公认特点,就是人们能从
15、极不相同的粒度上观察和分析同一问题人们不仅能在不同粒度的世界上进行问题求解,而且能够很快地从一个粒度世界跳到另一个粒度的世界,往返自如,毫无困难这种处理不同世界的能力,正是人类问题求解的强有力的表现”,云模型,定性概念和定量实现之间的转化是人类认知过程中的重要环节,一方面是通过自然语言表达的定性知识,另一方面是客观世界中存在的定量实现。30度以上,热;23,24,25度等,舒服。云模型作为一个定性定量转换的认知模型具有重要意义。,云模型的定义,设U是一个用数值表示的定量论域,C是U上的定性概念。若定量值(x属于U)是定性概念C的一次随机实现,x对C的确定度是稳定倾向的随机数,则x在论域U上的分
16、布称为云,每一个x称为一个云滴。云发生器,粒计算是信息处理的一种新的概念和计算范式,覆盖了所有有关粒度的理论、方法、技术和工具的研究,主要用于处理不确定的、模糊的、不完整的和海量的信息.粗略地讲,一方面它是模糊信息粒度理论、粗糙集理论、商空间理论、区间计算等的超集,另一方面是粒数学的子集.具体地讲,凡是在分析问题和求解问题中,应用了分组、分类和聚类手段的一切理论与方法均属于粒计算的范畴.对它的研究,引起了人们的关注,已成为人工智能领域新近研究的热点方向之一.,第二章作业,粒计算的主要模型有哪些?,第三章 粗糙集模型内容提要 第一节 各种集合理论的哲学基础 第二节 经典集合与等价关系 第三节 P
17、awlak.Z粗糙集模型 第四节 常见广义粗糙集模型 第五节 简单应用决策分析,面对日益增长的数据库,将如何从这些浩瀚的数据中找出有用的知识?我们如何将所学到的知识去粗取精?什么是对事物的粗线条描述什么是细线条描述?,第一节 各种集合理论的哲学基础,内容提要 一、普通集合的哲学基础 二、模糊集合的哲学基础 三、可拓集合的哲学基础 四、反演集合的哲学基础 五、粗集合的哲学基础,一、普通集合的哲学基础,普通集合的哲学基础是亚里士多德(Aristotles)提出的形式逻辑的矛盾律和排中律,即:“A不能既是B又不是B”和“A是B或不是B”。,二、模糊集合的哲学基础,模糊集合的哲学基础是:形式逻辑矛盾律
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