Материал: Математические методы системного анализа и управления. Проблемно-ориентированные информационные технологии. Проскурин Д.К., Сысоев Д.В

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬНЫХ, СОЦИАЛЬНЫХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ратор сравнения по Слейтору, будет

~

=

L k

= {xk Xk: xi Xk, qk(xk) > qk(xi) q(xk) >

q(xi)}, причем если Lk lk = Lk = lk, то ~ k =

L

maxLk = maxlk .. Последнее условие означает, что линейные порядки Lk и lk являются изоморфными.

Окончательно можно предположить, что решение задачи (2) формируется в виде

~

~

~

~

L

= L1

L k L n .

Рассмотренная схема дает нам возможность формирования подмножеств Xk (>I),

Xk (>Iс),

Xk (>I~

б). Действительно по по-

строению >I L k

Xk (>I) для Sk >I S и

для S >I

 

 

~

Sk; >Iс, >Iб L k =

Xk\ L k

Xk (>Iс) Xk (>Iб) для Sk >Iс

S ( Sk >Iб

S) и для S >Iс Sk ( S >Iб Sk).

С практической точки зрения, разумно рассмотреть поведение системы S в условиях положительного относительно своей функций полезности действий подсистемSk , k = 1, n . При этом также как и в теории управления иерархических систем будем называть S центром.

Первоначально выберем произвольную подсистему Sk S и рассмотрим действиеSk на S ( Sk S ). В этих предположениях функция полезностей qk(xk) устанавливает

на

Xk

строгий

линейный

порядок

lk = lk(> qk).

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда, если:

 

 

 

 

 

 

 

~

=

 

 

 

 

 

 

 

 

1. L k

( L k = Lk) q ( Sk) > 0 x

X, т.е. Sk >Iс

S

на всем множестве Xk.

Цетр S выбирает решение xk = maxLk.

 

 

~

q ( Sk) >

 

 

, при-

 

2. L k

0 xk L k

чем

~

~

(<

q)

~

 

(= q),

~

(> q)

L k =

L k

L k

L k

~

(= q)

 

 

 

~

(> q) =

 

~

L k

= . Здесь L k

{xk L k :

q ( Sk) < 0 Sk >I S } и

~

 

~

L k (= q) = {xk L k

: q ( Sk) = 0 Sk >Iб

S }. Но, с одной сторо-

ны, решение из множества

~

 

 

L k лучше любого

другого, не принадлежащего этому множеству в смысле целевого критерия q(х), с дру-

гой стороны – выбор x ~ обеспечивает в

k L k

определенной мере интересы подсистемы

Sk , т.к. и для нее лучшие решения находятся в этом множестве. Поведение центра S зависит от того, в каких "отношениях" он находится с подсистемой (насколько он решит учесть интересы своей подсистемы). Чисто условно можно предложить следующие виды поведения центра S.

Благожелательная

эксплуатация.

 

 

 

Центр S "положительно" относится к пове-

дению

Sk, выбирает такое

решение x*k

~

*

~

 

 

L k , что x k = maxlk

L k . В этом случае S

имеет наибольшие потери в полезности, а подсистема Sk максимальный выигрыш.

Неблагожелательная эксплуатация. Центр S "отрицательно" относится к поведению Sk, выбирает такое решение x*k

~ , что * = maxL ~ . В этом случае S

L k x k k L k

имеет максимальный выигрыш в полезности,

аподсистема Sk наибольшие потери.

Гарантированная эксплуатация. Центр

S "нормально" относится к поведению Sk и

выбирает решение

* ~

x k L k , которое обеспе-

чивает гарантируемые потери 1maxlk (0 < 1

< 1) для подсистемы Sk и гарантируемый

выигрыш 2maxLk (0 < 2 < 1) для себя.

~

 

xk

3. L k = Lk, L k = q ( Sk) < 0

X, т.е. Sk >I S на всем множестве

Xk. В

этих условиях, по – видимому, отсутствуют эффективные стратегии достижения цели W совместными усилиями. Система должна воздействовать на конфликт, реализуя задачи устранения, либо разрешения, либо решения конфликта [1]. Этим самым обеспечить фор-

мирование областей ~ и возможность

L k

выбора гарантированных решений. Рассмотрим теперь совместное дей-

ствие подсистем { S1, S2, ..., Sn}= S S. Полностью согласованная система. Для

каждой подсистемы выполняется условие 1

~

 

 

 

предыдущего раздела, т.е.. L k =

( L k = Lk)

q ( Sk) 0 x X k =

 

,

т.е. каж-

1, n

дая Sk >Iс S на всем множестве X. Центр S

выбирает решение x = ( x*k =maxLk) nk 1 , обес-

печивая тем самым максимальный выигрыш по полезности себе и всем подсистемам.

16

ВЫПУСК № 1-2 (11-12), 2018

ISSN 2618-7167

Частично согласованная система. Для каждой подсистемы выполняется условие 2 предыдущего раздела, причем для ряда из них может выполняться условие1, т.е.

St S такие, что ~ t = и Sr S та-

L

~

 

кие, что L r , причем { St} { Sr}= S .

Центр S выбирает решения x*k

= (xk

*

~

=maxLk) Sk { St}и решения x k

L k по

правилам благожелательной, неблагожелательной и гарантированной эксплуатации

Sk { Sr}.

Полностью конфликтная система. Для

каждой подсистемы выполняется условие 3

~

предыдущего раздела, т.е. L k = Lk, L k =

q ( Sk) < 0 x X k = 1, n , т.е. каждаяSk >I S на всем множестве X. Существование такой системы сомнительно.

Центр S должен воздействовать на конфликт по всем своим подсистемам, путем соответствующих преобразований добиться перехода от конфликтной системы к частично согласованной и обеспечить возможность

выбора решений

* ~

x k L k .

Частично

конфликтная система. Для

каждой подсистемы выполняется условие 3 предыдущего раздела, причем для ряда из них может выполняться условие1, т.е.

St S такие, что ~ t = и Sp S та-

L

кие, что. ~ p = Lp , причем { St} { Sp}= S.

L

Если часть подсистем St такова ( например, card{ St} велика ), что можно пренебречь множеством подсистем { Sp}, обеспечивая при этом эффективное выполнение цели W, то можно рекомендовать центру выбор решений x*k = (xk = maxLk) Sk { St}и решения x*k = max Lk Sk { Sp}. В противном случае, необходимы выше рассмотрен-

ные воздействия центра на Sk { Sp},

*

~

для этих под-

формирование выбора x k

L k

систем.

Библиографический список

1. Сысоев,В.В. Конфликт. Сотрудничество. Независимость. Системное взаимодей-

ствие в структурно – параметрическом представлении [Текст]: / В.В.Сысоев – М. МАЭП,

–1999. – 151с.

2. Сысоев, В.В. Системный подход к описанию механизма конфликта [Текст]:

/В.В. Сысоев // Вестник ВГТА. – Воронеж: Воронеж. Гос. технол. акад. – 1999. – Вып 3.

– С. 50 – 59.

3.Сысоев, В.В., The conflict in structural representation of systems (Конфликт в структурном представлении систем) [Текс]:

/В.В.Сысоев, И.Г. Амрахов // – Воронеж: Региональное отделение межд. акад. информатизации « Математическое и компьютерное моделирование », – Воронеж. Филиал Московской акад. экономики и права, – 1997,

– 27с.

4.Sysoev, V., System Model of Conflict Formation in Structural Representation [Текс]:

/V.Sysoev, I. Amrahov // The Fourth International Conference Applications of Computer Systems ACS 97. – Szczecin: Instite of Computer Science & Information Systems Technical University of Szczecin, –1997, – p.155161.

5.Сысоев Д.В. Моделирование ресурсного взаимодействия информационных процессов в условиях конфликта: / Научный вестник Воронежского ГАСУ. Серия: Информационные технологии в строительных, социальных и экономических системах: научный журнал. – Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2016. – Выпуск №2 (8). – С. 37 - 42.

6.Месарович, М. Общая теория систем: математические основы [Текст]: / М. Месарович, Я. Токахара – М . : Мир, –1978,

–311 c .

7.Кристофидес, Н. Теория графов. Алгоритмический подход [Текст]: / Н. Кристофидес – М.: Мир, –1978. –432с.

8.Сысоев Д.В. Многомерные статистические методы исследования категорий конфликта и содействия в социальных группах [Техт]: /Д.В. Сысоев, А.А. Сысоева // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Серия: Информационные технологии в строительных, социальных и экономических системах: научный журнал. – Воронеж: Воро-

17

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬНЫХ, СОЦИАЛЬНЫХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

нежский ГАСУ, 2017. – Выпуск №2 (10). – С.

12 - 18.

9.Сысоев Д.В. Формирование достижимости в исследованиях производственно – экономических систем [Техт]: / Д.В. Сысоев

-Научный вестник Воронежского ГАСУ. Серия: Информационные технологии в строительных, социальных и экономических системах: научный журнал. – Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2017. – Выпуск №1 (9). – С.

22 - 28.

10.Сысоев, В.В. Формирование конфликта в структурном представлении систем [Текст]: / В.В. Сысоев // –Информационные

УДК 519.25

Воронежский государственный технический университет Канд. техн. наук, доцент М.С. Кононова, Магистрант Е.И. Шеина, Магистрант Е.О. Волхова Россия, г.Воронеж, E-mail: kniga18@mail.ru

технологии и системы, –Воронеж : Воронеж. отд. Междун. акад. информатизации. –1996,

–N1, –С. 26-30.

11.Sysoev, V. Formation of conflict in structural representation of systems [Текст]: / V. Sysoev // Proceedings of The Second International Conference “NITE 96 New Information Technologies in Education”. –Minsk-Szczecin, Belarus-Poland,1996,–Vol.1.–P.139-146.

12.Кини, Р. Функции полезности многомерных альтернатив [Текст]: / Р.Кини // – Вопросы анализа и процедуры принятия решений. – М.: Мир, –1976, – С.59 – 79.

Voronezh State Technical University

Ph. D. in Engineering, assistant professor M.S. Kononova, Master student E. I. Sheina, Master student E.O. Volkhova Russia, Voronezh, E-mail: kniga18@mail.ru

М.С. Кононова, Е.И. Шеина, Е.О. Волхова

АЛГОРИТМ ПОИСКА ОПТИМАЛЬНОЙ АППРОКСИМИРУЮЩЕЙ ФУНКЦИИ ПРИ РЕГРЕССИОННОМ АНАЛИЗЕ ЭМПИРИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Аннотация: Предложен алгоритм, позволяющий по измеренным данным, содержащим случайные погрешности, выбрать сглаживающую кривую с наименьшим отклонением. Оптимизация осуществляется в два этапа. Сначала для каждой из заданных аппроксимирующих функций по методу наименьших квадратов определяются наилучшие значения параметров формулы, а затем среди них определяется зависимость, имеющая на интересующем интервале измерений минимальное среднеквадратическое отклонение. Рассматриваемый алгоритм может быть использован при решении оптимизационных задач экономического и инженерного характера, в частности, связанных с обработкой эмпирических числовых данных

Ключевые слова: аппроксимирующая функция, регрессионный анализ, обработка эмпирических данных

M.S. Kononova, E.I. Sheina, E.O. Volkhova

THE ALGORITHM OF THE SEARCH OF THE OPTIMAL APPROXIMATING FUNCTION FOR REGRESSION ANALYSIS OF EMPIRICAL DATA

Abstract: An algorithm is proposed that allows to select the smoothing curve with the lowest deviation from the measured data containing random errors. Optimization is carried out in two stages. First, for each of the given approximating functions, the best values of the formula parameters are determined by the least squares method, and then among them the dependence having the minimum standard deviation at the required measurement interval is determined. The considered algorithm can be used in solving optimization problems of economic and engineering nature, in particular, related to the processing of empirical numerical data

Keywords: approximating function, regression analysis, empirical data processing

В ряде 3 задач экономического плани-

5] в общем случае рассматривается вектор-

рования, математической статистики, теории

ное пространство, элементами которого яв-

измерений и обработки эмпирического чис-

ляются функции какого-либо класса, опреде-

лового материала, конструирования систем и

ленные на одной области, и в котором опре-

других видах деятельности специалистов [1-

делена норма, обладающая теми же свой-

 

 

ствами, что и норма в евклидовом и гильбер-

© Кононова М.С., Шеина Е.И., Волхова Е.О., 2018

товом пространствах. С практической точки

18

ВЫПУСК № 1-2 (11-12), 2018

 

 

 

 

 

 

 

 

ISSN 2618-7167

зрения речь идет о замене численно не вы-

 

В качестве аппроксимирующих формул

ражаемой функции (например, заданной таб-

могут быть взяты различные функции (ли-

лично) через вычисляемую функцию по воз-

нейная, показательная, дробно-рациональная

можности более точно, минимизируя дефект

I или II типа, логарифмическая, степенная,

аппроксимации.

 

 

 

 

 

гиперболическая, обратно-логарифмическая,

Если некоторое явление характеризует-

S – образная, Вейбулла и др.)

 

 

ся двумя варьируемыми величинами x и у, из

 

На первом этапе методом наименьших

которых x выбирается как независимая пе-

квадратов осуществляется выравнивание не-

ременная, а y – как зависимая переменная

линейных зависимостей путем подбора но-

величина и между переменными х и y суще-

вых переменных

U F1 x, y

и V F2

x, y

ствует

однозначное соответствие,

т.е. каж-

так, чтобы зависимость между V и U стала

дому значению независимой переменной x

линейной: V AU B .

 

 

 

 

соответствует с заданной степенью точности

 

 

 

 

 

На втором этапе с учетом уже извест-

одно значение зависимой переменной y, то

 

ных соотношений можно найти значения ин-

возникает

задача

определения формульной

тересующих параметров

нелинейных

зави-

зависимости, задающей y как функцию f(x).

симостей (так, например, для показательной

В реальном случае задача формулиру-

зависимости параметры а и

b нелинейной

ется так.

Пусть

в

результате

исследования

функции связаны с параметрами A и B ли-

(эксперимента) значениям x1, x2, ... , xn неко-

нейной

зависимости

соотношениями

торой величины x поставлены в соответствие

a exp(A) , b exp(B) ).

 

 

 

 

значения y1, y2, … , yn некоторой величины y.

 

 

 

 

 

Параметры A и B будем выбирать та-

Требуется

подобрать

вид

аналитической

 

ким образом, чтобы сумма квадратов откло-

(эмпирической)

зависимости y = f(x), связы-

нений значений функций V AU B в точках

вающей переменные x и y.

 

 

 

 

Ui

от заданных чисел Vi

была бы наимень-

Если вид эмпирической зависимости y

шей, т.е. выполнялось условие

 

 

= f(x), приближающей парную табличную

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зависимость, заданную совокупностью зна-

 

 

n

 

 

 

 

 

чений xi и yi, не известен заранее, желатель-

 

 

Vi (AUi B) 2

min.

(1)

но провести регрессию для ряда зависимо-

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стей y = f(x). Предлагаемый алгоритм обес-

 

Для определения параметров А и В

печивает запоминание n пар xi и yi

и выпол-

найдем частные производные по А и по В

няет регрессию для одной или нескольких

данного выражения и, приравняв их нулю,

зависимостей y = f(x).

 

 

 

получим систему двух линейных уравнений

Алгоритм относится к классу оптими-

с двумя неизвестными, которую решим ме-

зационных задач и позволяет по измеренным

тодом Крамера:

 

 

 

 

 

точкам, содержащим, естественно, случай-

 

 

A D1

D ;

B D2

D ,

 

ные погрешности, провести такую сглажи-

 

 

 

вающую

кривую,

чтобы мера отклонений

 

где

D S1 n S22 ,

D1

S3 n S2 S4 ,

(сумма их квадратов)

оказалась минималь-

 

 

D2 S1 S4 S2 S3 ,

 

ной. Оптимизация осуществляется в два эта-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

па. Сначала для каждой из выбранных ап-

 

 

n

 

 

 

n

 

проксимирующих

функций

по

методу

 

 

S1 Ui2 ,

 

S2 Ui ,

 

наименьших

квадратов

определяются

 

 

i 1

 

 

 

i 1

 

 

 

n

 

 

 

n

 

наилучшие значения параметров формулы, а

 

 

 

 

 

 

 

 

S3 Vi Ui ,

 

S4 Vi .

 

затем среди них определяется зависимость,

 

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

i 1

 

имеющая на интересующем интервале изме-

Для оценки точности эмпирической форму-

рений

минимальное

среднеквадратическое

лы

используется

величина

усредненного

отклонение (СКО).

 

 

 

 

 

 

 

 

среднеквадратического отклонения, опреде-

 

 

 

 

 

 

 

 

19

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬНЫХ, СОЦИАЛЬНЫХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ляемая по формуле

 

1

n

1 2

 

 

E

yi yэмп.i 2

 

,

(2)

 

n

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

где yэмп.i – эмпирические значения переменной, вычисленной по одной из зависимостей, участвующей в рассматриваемом алгоритме; n – число наблюдений;

Блок-схема алгоритма, реализующего оптимизацию нелинейной парной регрессии по методу наименьших квадратов для ряда аппроксимирующих функций, приведена на рисунке.

Исходными данными для алгоритма являются: X, Y – массивы из действительных чисел, представляющие наблюдаемые (опытные) значения переменных x и y.

По структуре алгоритм представляет собой многоступенчатый циклический вычислительный процесс. Во внутреннем цикле (блоки 5-6) происходит выравнивание нелинейной зависимости (функции F1 и F2) и вычисляются соответствующие суммы S1 , S2 , S3 , S4 . В блоке 7 методом Крамера решается система линейных алгебраических уравнений, определяются коэффициенты линейной зависимости А, В и выполняется обратный переход к коэффициентам нелинейной зави-

симости (функции F3, F4).

В следующем цикле (блоки 8 – 9) находятся элементы YEi массива эмпирических значений переменной y, полученные вычислением и соответствующие наблюдаемым значениям x. Блок 10 определяет значение СКО (идентификатор Е) для данного вида эмпирической функции. Во внешнем цикле (блоки 4 – 13) устанавливается наилучшая аппроксимирующая функция, номер которой NOM и итоговое минимальное СКО (Е0) выводятся в блоке 14.

Использование вывода промежуточных результатов расчетов (блок 11) позволяет повысить наглядность, т.к. дает возможность наблюдать динамику поиска наилучшего приближения опытных данных.

Рассматриваемый в статье алгоритм может быть использован при решении опти-

мизационных задач экономического и инженерного характера, в частности, задач выравнивания (сглаживания) данных при обработке эмпирического числового материала.

В качестве примера практической реализации алгоритма можно привести решение задач, связанных с определением эмпирических функций распределения отказов городских теплопроводов, оценкой эффективности прогнозирования состояния тепловых сетей

[6-7].

Рис.1. Блок-схема алгоритма оптимизации нелинейной парной регрессии по методу наименьших квадратов для различных аппроксимирующих функций

Кроме того, предлагаемый алгоритм также может быть использован при изучении

20

Источник: https://studfile.net/preview/16566181/