粗糙集概念

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一种对集合A的划分就对应着关于A中元素的一个知识

面对日益增长的数据库,人们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?糙集合论回答了上面的这些问题。

要想了解粗糙集合论的思想,我们先要了解一下什么叫做知识?假设有8 个积木构成了一个集合A,我们记:A={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8} ,每个积木块都有颜色属性,按照颜色的不同,我们能够把这堆积木分成R1={红,黄,蓝} 三个大类,那么:

  • 红颜色的积木构成集合X1={x1,x2,x6}
  • 黄颜色的积木构成集合X2={x3,x4}
  • 蓝颜色的积木构成集合X3={x5,x7,x8}

按照颜色这个属性我们就把积木集合A进行了一个划分( 所谓A的划分就是指对于A中的任意一个元素必然属于且仅属于一个分类) ,那么我们就说颜色属性就是一种知识。在这个例子中我们不难看到, 一种对集合A 的划分就对应着关于A 中元素的一个知识,假如还有其他的属性,比如还有形状R2={三角, 方块, 圆形} ,大小R3={大, 中, 小} ,这样加上R1属性对A 构成的划分分别为:

*   A/R1={X1,X2,X3}={{x1,x2,x6},{x3,x4},{x5,x7,x8}}(颜色分类)
*   A/R2={Y1,Y2,Y3}={{x1,x2},{x5,x8},{x3,x4,x6,x7}} (形状分类)
*   A/R3={Z1,Z2,Z3}={{x1,x2,x5},{x6,x8},{x3,x4,x7}} (大小分类)

上面这些所有的分类合在一起就形成了一个基本的知识库。那么这个基本知识库能表示什么概念呢?除了红的{x1,x2,x6} 、大的{x1,x2,x5} 、三角形的{x1,x2} 这样的概念以外,还可以表达例如:

*   大的且是三角形的{x1,x2,x5} ∩ {x1,x2}={x1,x2} 
*   大三角{x1,x2,x5} ∩{x1,x2}={x1,x2} 
*   蓝色的小的圆形({x5,x7,x8} ∩{x3,x4,x7} ∩{x3,x4,x6,x7}={x7} 
*   蓝色的或者中的积木{x5,x7,x8} ∪{x6,x8}={x5,x6,x7,x8} 

而类似这样的概念可以通过求交运算得到,比如X1与Y1的交就表示红色的三角形。所有的这些能够用交、并表示的概念以及加上上面的三个基本知识(A/R1,A/R2.A/R3) 一起就构成了一个知识系统记为R=R1∩R2∩R3,它所决定的所有知识是A/R={{x1,x2},{x3,x4},{x5},{x6},{x7},{x8}}(注意:原文中,x3和x4是分开的,应该是作者手误)以及A/R 中集合的并。

下面考虑近似这个概念。假设给定了一个A上的子集合X={x2,x5,x7} ,那么用我们的知识库中的知识应该怎样描述它呢?红色的三角? **** 的大圆?都不是,无论是单属性知识还是由几个知识进行交、并运算合成的知识,都不能得到这个新的集合X,于是我们只好用我们已有的知识去近似它。也就是在所有的现有知识里面找出跟他最像的两个一个作为下近似,一个作为上近似。于是我们选择了“蓝色的大方块或者蓝色的小圆形” 这个概念:{x5,x7}作为X的下近似。选择“三角形或者兰色的”{x1,x2,x5,x7} 作为它的上近似,值得注意的是:

  • 下近似集是在那些所有的包含于X 的知识库中的集合中求并得到的(包含在X内的最大可定义集)
  • 上近似则是将那些包含X的知识库中的集合求并得到的(包含X的最小可定义集)

一般的,我们可以用下面的图来表示上、下近似的概念。

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这其中蓝色曲线围的区域是X的区域,紫色曲线围的部分是内部参考消息,是下近似,红色曲线围的内部部分就是上近似集。其中各个小方块可以被看成是论域上的知识系统所构成的所有划分。整个粗集理论的核心就是上面说的有关知识、集合的划分、近似集合等等概念。下面我们讨论一下关于粗糙集在数据库中数据挖掘的应用问题。考虑一个数据库中的二维表如下:

image

可以看出,这个表就是上面的那个例子的二维表格体现,而最后一列是我们的决策属性,也就是说评价什么样的积木稳定。这个表中的每一行表示了类似这样的信息:红色的大三角积木稳定, **** 的小圆形不稳定等等。我们可以把所有的记录看成是论域A={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8} ,任意一个列表示一个属性构成了对论域的元素上的一个划分,在划分的每一个类中都具有相同的属性。而属性可以分成两大类,一类叫做条件属性:颜色、形状、大小都是,另一类叫做决策属性:最后一列的是否稳定?下面我们考虑,对于决策属性来说是否所有的条件属性都是有用的呢?考虑所有决策属性是“稳定”的集合{x1,x2,x5} ,它在知识系统A/R 中的上、下近似都是{x1,x2,x5} 本身,“不稳定”的集合{x3,x4,x6,x7,x8} ,在知识系统A/R 中的上、下近似也都是{x3,x4,x6,x7,x8} 它本身。说明该知识库能够对这个概念进行很好的描述。

下面考虑是否所有的基本知识:颜色、形状、大小都是必要的?如果我们把这个集合在知识系统中去掉颜色这个基本知识,那么知识系统变成

A/(R-R1)={{x1,x2},{x3,x4,x7},{x5},{x6},{x8}} 以及这些子集的并集。如果用这个新的知识系统表达“稳定”概念得到上下近似仍旧都是: {x1,x2,x5} ,“不稳定”概念的上下近似也还是{x3,x4,x6,x7,x8} ,由此看出去掉颜色属性我们表达稳定性的知识不会有变化,所以说颜色属性是多余的可以删除。

如果再考虑是否能去掉大小属性呢?这个时候知识系统就变为:A/(R-R1-R3)=A/R2={{x1,x2},{x5,x8},{x3,x4,x6,x7}} 。同样考虑“稳定”在知识系统A/R2 中的上下近似分别为:{x1,x2} 和{x1,x2,x5,x8} ,已经和原来知识系统中的上下近似不一样了, 同样考虑“不稳定” 的近似表示也变化了,所以删除属性“大小”是对知识表示有影响的故而不能去掉。同样的讨论对于“形状”属性也一样,它是不能去掉的。

最后我们得到化简后的知识库R2,R3,从而能得到下面的决策规则:大三角-> 稳定,大方块-> 稳定,小圆-> 不稳定,中圆-> 不稳定,中方块-> 不稳定,利用粗集的理论还可以对这些规则进一步化简得到:大-> 稳定,圆-> 不稳定,中方块-> 不稳定。这就是上面这个数据表所包含的真正有用的知识,而这些知识都是从数据库有粗糙集方法自动学习得到的。

因此,粗糙集是数据库中数据挖掘的有效方法。从上面这个例子中我们不难看出,实际上我们只要把这个数据库输入进粗糙集运算系统,而不用提供任何先验的知识,粗糙集算法就能自动学习出知识来,这正是它能够广泛应用的根源所在。而在模糊集、可拓集等集合论中我们还要事先给定隶属函数。目前,粗糙集理论已经广泛的应用于知识发现、数据挖掘、智能决策、电子控制等多个领域。

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