2009_2

О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ КЛАСТЕРНОГО АНАЛИЗА
И.И. Рясная, А.Н. Ходзинский
Институт кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины,
Киев-187, проспект Академика Глушкова, 40, [email protected]
Введение. Задачи кластерного анализа обычно решаются на основе мер сходства или различия в
многомерном пространстве признаков, при этом во многих случаях не исследуются вопросы адекватности
получаемых результатов. Однако в [1] было показано, что задача построения адекватных мер сходства не
является тривиальной, в частности, при измерении признаков в шкалах порядка класс непараметрических
парных мер сходства – пуст. В данной работе рассматриваются некоторые проблемы построения мер
сходства на базе нечетких качественных характеристик (свойств, признаков) и условия адекватности таких
мер.
Постановка задачи. Пусть X – конечное множество элементов эмпирической системы, W –
конечное множество качественных характеристик элементов множества X . Качественной характеристике
w  W поставим в соответствие множество T  t1 ,..., tm  вербальных значений этой характеристики,
m  m  w . Построим нечеткую меру сходства на базе нечетких данных измерений качественных
характеристик объектов эмпирической системы с использованием нечетких логических операторов и
исследуем эту меру в рамках репрезентативной теории измерений [2].
При построении формальных моделей эмпирических систем необходимо обоснование применения
операций к значениям принадлежности. Согласно критерию “адекватности-инвариантности” [3], должна
иметь место адекватность операции относительно допустимых преобразований в шкале, в которой измерена
принадлежность. Этого можно достичь в случае, когда имеет место инвариантность результатов операции
относительно допустимых преобразований соответствующих шкал.
Построение нечеткой шкалы сходства. Для пояснения сущности рассматриваемых проблем
построим нечеткую шкалу сходства для одной качественной характеристики w  W . Такую шкалу будем
называть парциальной нечеткой шкалой сходства. Обозначим FX – множество всех нечетких подмножеств
множества X ; FT – множество всех нечетких подмножеств множества T ; R – нечеткое бинарное
отношение на X  T ; μ R  x, tk  – функция принадлежности, определяющая нечеткое отношение R , x  X ,
k  1, m .
Пусть  : X  FT – отображение, называемое описанием измерений характеристики w  W , такое,
что tk  T x  X
 x (tk )   R ( x, tk ) ; Dx    x  
 tk ,  x  tk  : tk  T 
– нечеткое подмножество
множества T , называемое нечетким описанием измерения характеристики w  W объекта x  X ;  =
 Dx : x  X – множество нечетких описаний измерений характеристики w .


Пусть  : T  FX – отображение, называемое описанием лингвистических термов tk  T , такое, что
x  X tk  T t k ( x)  μ R  x, tk  ; Ek    tk  
 x, 
tk
 x

: x  X – нечеткое подмножество множества
X , называемое смыслом лингвистического терма tk  T .
Определим на множестве X отношение (четкой) эквивалентности  : xy  Dx = D y . Иначе говоря,
элементы x и y эквивалентны, если равны результаты измерений нечеткой качественной характеристики
w . Фактор-множества множества X и множества  обозначим, соответственно, через X  и   .


Пусть существует адекватное нечеткое отношение сходства * Dx , Dy , т.е. существует адекватная
мера сходства между нечеткими подмножествами Dx    x  и D y    y  . Пусть   x, y  – парциальное
отношение сходства на X , определяемое на базе сравнения эмпирических объектов по характеристике
w  W . Положим, что


  x, y  = * Dx , Dy .
(1)
Согласно (1) отношение сходства   x, y  порождается сходством нечетких подмножеств Dx , Dy ,
представляющих собой результаты измерений характеристики w . Эти подмножества образуют матрицу
сходства R* , с помощью которой определяется отношение сходства в формальной модели эмпирической
системы. Таким образом, определена эмпирическая система M 1 = X , , 
с двумя отношениями:
отношением эквивалентности  и отношением сходства  , и гомоморфная ей (по построению)
FT , ,  * с отношением равенства  и отношением сходства  *
нечетких подмножеств, являющихся результатами измерений характеристики w  W .
Парциальной нечеткой шкалой сходства будем называть кортеж M 1, M 2 , .
математическая система M 2 =
Отметим две особенности построенной шкалы. Во-первых, M 2 не числовая система с отношениями,
так как элементами области FT , на которой определяются отношения, являются не числа и даже не
нечеткие числа, а нечеткие подмножества, представляющие собой результаты измерения нечетких
характеристик (признаков) объектов эмпирической системы M 1 . Поэтому система M 2 , представляющая
собой формальную модель системы M 1 , названа не числовой, а математической системой с отношениями.
Иначе говоря, такая шкала выходит за рамки классической репрезентативной теории измерений (в которой
рассматриваются только числовые системы с отношениями) и этот принципиальный момент связан с
использованием нечетких первичных характеристик (признаков) объектов. Во-вторых, характеристикой,
определяющей отношение сходства на множестве X , является множество парных мер сходства,
образующих матрицу, численные значения которой – производные измерения.
Перейдем к исследованию адекватности построенной нечеткой шкалы сходства. Из выражения (1)
следует, что x  y   tk  T  : x  Ek and y  Ek , где степени истинности утверждений x  Ek , y  Ek



равны, соответственно, t k  x  , t k  y  .
Поскольку T  tk k 1 , то   x, y  
m

 x  E  and  y  E  or ... or  x  E  and  y  E  , где and, or –
1
1
m
m
соответственно, семантические операторы И, ИЛИ. Заменяя семантические операторы их теоретикомножественными эквивалентами – треугольными нормами T и конормами
, получим функцию

принадлежности нечеткой меры сходства
  x, y  
  T t  x  , t  y  .
k
tk T
(2)
k
Теорема 1. Нечеткая мера сходства, вычисляемая в соответствии с (2), неадекватна при измерении
значений нечеткой качественной характеристики w  W в шкалах порядка, отношений или интервалов.
Однако, проблема построения адекватной шкалы сходства при измерении нечетких характеристик в
шкалах порядка, отношений и интервалов разрешима. Приведем пример построения адекватной нечеткой
меры сходства, определяемой на основе коэффициента лингвистической корреляции [4].
Коэффициент лингвистической корреляции вычисляем по формуле
Klingv  x, y  
i  x, y   Dxi  Diy
Dxi  Dyi 
m wi 

k 1
1 N i
   x, y  ,
N i 1

min tk  x  , tk  y 
(3)
m wi 
  max t
k 1
k
 x  , t  y   ,
k
(4)
где i  x, y  – парциальный коэффициент лингвистической корреляции элементов x, y  X , определяемый
по характеристике wi  W ;   мощность нечеткого подмножества; N – общее количество характеристик.
Положим   x, y  = Klingv  x, y  . Справедлива следующая теорема.
Теорема 2. Нечеткая мера сходства, построенная на основе коэффициента лингвистической
корреляции, вычисляемого по формулам (3), (4), адекватна при измерении значений функции
принадлежности качественных характеристик w  W в шкале отношений и абсолютной шкале.
Лемма. При измерении значений функции принадлежности нечеткой качественной характеристики в
шкале порядка существует допустимое монотонное преобразование t  x    t  x  ,
tk  T ,

k
k

приводящее к инвариантности значений функции принадлежности.
Обозначим     – композицию отображений  и  , Dx    x    Dx      x   – нечеткое
 
подмножество с нормированной функцией принадлежности, представляющей собой результаты измерения
нечеткой качественной характеристики w  W объекта x  X . Пусть     X  – множество результатов
таких измерений. Преобразование  порождает отношение эквивалентности   на множестве X и


отношение эквивалентности  на множестве   Dx : x  X , такое, что xy  Dx  D y  Dx  D y .
Иначе говоря, равенство по форме функций принадлежности нечетких подмножеств Dx   FT ,
Dx    x  порождает эквивалентность (равенство по содержанию) функций принадлежности нечетких
подмножеств Dx   FT , Dx    x  . Признаком эквивалентности различных по форме функций
принадлежности нечетких подмножеств Dx  FT является сохранение отношения порядка и равенство
образов Dx  FT , которые характеризуются дискретностью значений функций принадлежности. Обозначим
соответствующие классы эквивалентности X /  и  /  . Отношение сходства  на множестве X и
*
отношение
сходства
на
множестве
определим
следующим
образом
FT
  x, y    *  Dx , D y     Dx , D y  , где функции принадлежности нечетких отношений сходства
удовлетворяют условию




 Dx , Dy  Klingv Dx , Dy   *  Dx , D y     x, y  .
Теорема 3. Нечеткая мера сходства, построенная на основе коэффициента лингвистической

корреляции, вычисляемого по формулам (3), (4) после применения преобразования tk  x    tk  x 

tk  T , инвариантна при измерении значений функций принадлежности нечетких качественных
характеристик w  W в шкалах порядка.
Теорема 4. Нечеткая мера сходства, построенная на основе коэффициента лингвистической
корреляции, инвариантна при измерении значений функций принадлежности нечетких качественных
характеристик w  W в шкалах интервалов и применении преобразования  к измеренным значениям
функции принадлежности.
Выводы. Задачи кластерного анализа корректно решаются только при использовании адекватных
мер сходства. В работе показано, что адекватную нечеткую меру сходства можно построить только в том
случае, если правильно определены типы шкал, в которых проведены первичные измерения характеристик
объектов, так как способ построения адекватной нечеткой меры сходства зависит от типа шкал, в которых
производятся такие измерения.
1.
2.
3.
4.
Шусторович А.М. Об адекватных парных мерах сходства в задаче распознавания образов с
разнородными признаками // Вопросы обработки информации при проектировании систем. –
Новосибирск: ИМ СО АН СССР, 1977. – С.147–152.
Суппес П., Зинес Дж. Основы теории измерений // Психологические измерения. – М.: Мир, 1967.– С.
9–110.
Блишун А.Ф. Сравнительный анализ методов измерения нечеткости // Изв. АН СССР. Техническая
кибернетика. – 1988. – № 5. – С. 152–175.
Рясная И.И. О мерах сходства и различия на гетерогенных множествах // Компьютерная математика. –
2007. – № 2. – С. 5158.