纸质出版日期:2024-08-25,
收稿日期:2023-10-20
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粒计算和知识约简是知识发现和数据挖掘的两个重要课题。基于信息粒研究不协调决策形式背景的属性约简的定义和方法。首先,利用对象概念的内涵定义对象集上的拟序关系,并研究其相关性质。然后,利用拟序类定义分布函数和最大部分函数,进而提出不协调决策形式背景的(最大)分布协调集和(最大)分布约简的定义。最后,定义不协调决策形式背景的(最大)分布辨识矩阵及(最大)分布辨识公式,基于辨识矩阵给出(最大)分布协调集的判定定理,并提出计算分布约简和最大分布约简的方法。
Granular computing and knowledge reduction are two important topics in knowledge discovery and data mining. Based on information granules, this paper studies the definition and method of attribute reduction for inconsistent formal decision contexts. First, a quasi-ordering relation on the object set is defined and its related properties are studied too. Then, a distribution function and a maximum distribution function are defined using the quasi-ordering classes. Moreover, a distribution reduct and a maximum distribution reduct are proposed for the inconsistent formal decision context. Finally, a (maximum) distribution discernibility matrix and the corresponding distribution discernibility functions are introduced into the inconsistent formal decision context. And the judgment theorems of the (maximum) distribution consistent set are given to calculate all the distribution reducts and the maximum distribution reducts.
粒度计算是知识表示和数据挖掘中的一个基本问题。粒是粒计算的一个基本概念,它是以不可区分性、相似性或功能性标准聚集在一起的一簇对象[
文献[
本文首先利用对象粒定义决策形式背景上的分布函数和最大分布函数,进而研究对象粒下不协调决策形式背景的(最大)分布约简的定义及方法。
本节介绍形式概念分析的一些基本概念和性质。
定义1 [
设(U,A,I)为形式背景,∀X⊆U,∀B⊆A,定义如下算子:
X*={a∈A |∀ x∈X,(x,a)∈I},
B*={x∈U |∀ a∈B,(x,a)∈I}。
定义2 [
∀B⊆A,记*B为定义在子形式背景(U,B,IB)上的算子。显然,X*B=X*A∩B。
定义3 [
∀x∈U,a∈A,记x*={x}*,a*={a}*,分别称(x**,x*)和(a*,a**)为对象概念和属性概念。
对任意两个形式概念(X1,B1)和(X2,B2),定义其下确界和上确界:
(X1,B1)∧(X2,B2)=(X1∩X2,(B1∪B2)**);
(X1,B1)∨(X2,B2)=((X1∪X2)**,B1∩B2)。
记L(U,A,I)={(X,B)|X=B*,B=X*}称其为形式背景(U,A,I)的概念格[
容易验证,∀(X,B)∈L(U,A,I),当X≠∅时, ;当B≠∅时,
。文献[
性质1 [
1)若X1⊆X2,则 ;若B1⊆B2,则
。
2)X⊆X**;B⊆B**。
3)X*=X***;B*=B***。
4) ;
。
5) ;
。
定义4 [
定义5 [
定义6 [
设(U,A,I,C,J)为决策形式背景。∀B⊆A,定义对象集U上的二元关系
显然, 满足自反性和传递性,但不一定满足对称性,即
为对象集U上的拟序关系。记
,称其为x关于
的条件拟序类。
性质2 设(U,A,I)为形式背景,则有
1)∀B⊆A,若B≠∅,则 。
2)若B1⊆B2⊆A,则 。
3)∀x,y∈U,若 ,则
。
4)∀x∈U, 。
证明 1)由拟序关系的定义知, ,
,即
。
2)由性质2中的条件1)可得条件2)。
3)由拟序类的定义知,若 ,则
。因为
,有
。因此有
,即
。所以
。
4)由拟序类的定义知, ,即
。
由性质2中条件4)可知 ,即形式背景(U,A,I)的每个对象概念的外延是该对象的拟序类。根据定义5和性质2可得引理1和引理2。
引理1 设(U,A,I,C,J)为决策形式背景,则以下条件等价:
1)(U,A,I,C,J)为粒协调的;
2) ;
3) 。
引理2 设(U,A,I,C,J)为粒协调决策形式背景,B⊆A,则以下条件等价:
1)B为(U,A,I,C,J)的粒协调集;
2) ,
;
3) 。
例1
由于1*A={b,d}, 2*A={a,c,e},3*A={a,b,e},4*A={b,c,d},5*A={a,e},所以条件拟序类为 ,
,
,
,
。
又因为1*C={f}, 2*C={g,h},3*C={g},4*C={f},5*C={g},所以决策拟序类为 ,
,
,
,
。
显然,∀x∈U,有 ,即
。因此,
令B={a,c,d},则1*B={d}, 2*B={a,c},3*B={a},4*B={c,d},5*B={a},即 ,
,
,
,
。显然,∀x∈U,有
,因此,B为(U,A,I,C,J)的一个粒协调集。
设(U,A,I,C,J)为不协调决策形式背景。记 ,
,其中Dj,j=1,2,…,t为决策拟序类。B⊆A,定义函数μB:U→[0,1]t为
∀x∈U,定义 ,称γB(x)为对象x基于条件属性子集B的最大分布函数。
例2 设决策形式背景(U,A,I,C,J)如
条件拟序类计算如下:
决策拟序类计算如下:
显然有 ,即
,所以
μA(1)={1/5,0,0,1/5}, μA(2)={1/5,1/5,1/5,0},μA(3)={0,0,1/5,0},μA(4)={0,0,0,1/5},μA(5)={1/5,1/5,3/5,0};
γA(1)=1/5,γA(2)=1/5,γA(3)=1/5,γA(4)=1/5, γA(5)=3/5。
设(U,A,I,C,J)为不协调决策形式背景,B⊆A,x,y∈U。 ,若
,则称μB(x)等于μB(y),记为
,若
,则称μB(x)小于等于μB(y),记为μB(x)≤μB(y);若μB(x)≤μB(y)且
使得
,则称μB(x)小于μB(y),记为μB(x)<μB(y);若
使得
,则记为
。
引理3 设(U,A,I,C,J)为不协调决策形式背景。若B1⊆B2⊆A,则
1)∀x∈U,μB2(x)≤μB1(x);
2)∀x∈U,γB2(x)≤γB1(x)。
证明 由性质2中条件2)知,若B1⊆B2⊆A,则 ,于是
,
。
定义7 设(U,A,I,C,J)为不协调决策形式背景。∀B⊆A,有
1)∀x∈U,若μB(x)=μA(x),则称B为(U,A,I,C,J)的分布协调集;∀x∈U,若γB(x)=γA(x),则称B为(U,A,I,C,J)的最大分布协调集。
2)设B′⊂B,若B为分布协调集,而B′不是分布协调集,则称B为(U,A,I,C,J)的分布约简;同样地,若B为最大分布协调集,而B′不是最大分布协调集,则称B为(U,A,I,C,J)的最大分布约简。
结合分布函数、最大分布函数的定义以及定义7可知,若B⊆A为(U,A,I,C,J)的分布协调集,则B为(U,A,I,C,J)的最大分布协调集。
定理1 设(U,A,I,C,J)为不协调决策形式背景,∀B⊆A。
1)B是分布协调集,则下列结论成立:∀x,y∈U,若 ,则有μA(y)≤μA(x)。
2)B是最大分布协调集,则下列结论成立:∀x,y∈U,若 ,则有γA(y)≤γA(x)。
证明 1)假设B是分布协调集,则μA(x)=μB(x),∀x∈U。∀x,y∈U,若 ,则μB(y)≤μB(x)。于是μA(y)=μB(y)≤μB(x)=μA(x)。
2)类似1)的证明。
推论1 设(U,A,I,C,J)为不协调决策形式背景,B⊆A。
1)B是分布协调集,则下列结论成立:∀x,y∈U,若 ,则有
。
2)B是最大分布协调集,则下列结论成立:∀x,y∈U,若γA(y)>γA(x),则有 。
定义8 设(U,A,I,C,J)为不协调决策形式背景。∀B⊆A,记
∀x,y∈U,定义
分别称 和
为对象x和y关于条件属性子集B和决策属性集C的分布辨识属性集和最大分布辨识属性集。记
,
,称
为(U,A,I,C,J)基于条件属性子集B的分布辨识矩阵,并称
为最大分布辨识矩阵。
引理4 设(U,A,I,C,J)为不协调决策形式背景,∀x,y∈U,∀B⊆A。
1) 当且仅当
;
2) 当且仅当γB(y)>γB(x)。
证明 1) ⇒根据分布辨识属性集的定义可得,∀x,y∈U,若 ,则
。
⇐∀x,y∈U,若 ,则
使得
,即
,于是
,从而∃a∈B使得
,即
。
2)类似1)的证明。
定理2 设(U,A,I,C,J)为不协调决策形式背景,∀B⊆A,B≠∅,有
1)B是分布协调集⇔若 ,则
;
2)B是最大分布协调集⇔若 ,则
。
证明 1) ⇒由引理4条件1)知, 等价于
。又因为B是分布协调集,再结合推论1条件1)可得,
,即∃a∈B,使得
,从而
。
⇐由引理4条件1)知, 等价于
。又因为若
,则
。于是,若
,则
。因此,∃a∈B,使得
,即
。从而由推论1条件1)可知,B是分布协调集。
2)类似于1)的证明。
例3(续例2) 根据分布辨识矩阵的定义可计算
根据定义8计算
根据定理2条件2)和
定义9 设(U,A,I,C,J)为不协调决策形式背景。记
称 为(U,A,I,C,J)的分布辨识公式,
为(U,A,I,C,J)的最大分布辨识公式。
定理3 设(U,A,I,C,J)为不协调决策形式背景,并记 、
的极小析取范式为
和
。记
,
,则
1) 包含所有分布约简;
2) 包含所有最大分布约简。
证明 1) ,显然有
。结合由定理2条件1)可知,
是(U,A,I,C,J)的分布协调集。记
,由于
,则
使得
,因此
不是分布协调集,所以
是分布约简。又因为
包含了所有的
,于是不存
之外的分布约简。
2)类似1)的证明。
例4 根据 可得极小析取范式为
,所以
根据 可得极小析取范式为
,所以
由对象概念可以生成所有的形式概念,因此,对象概念构成的集合称为概念格的信息粒,它包含了形式背景的本质信息。基于信息粒可以对形式背景以及带有决策的协调形式背景进行属性约简,从而达到简化形式背景的目的。同样地,利用信息粒也可以对不协调决策形式背景进行简化。本文考虑不协调的决策形式背景的约简问题。通过对象集上的拟序关系引入了对象粒下不协调决策形式背景的(最大)分布约简,提出了两种计算约简的方法以及(最大)分布协调集的判定定理。
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