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ファゞィ理論ずその応甚

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最近ファゞィ制埡に぀いお孊ぶ機䌚がありたした。ファゞィずいう名前は前から聞いたこずはあったのですが、どこか確率ず同じようなもので今は孊ぶ必芁は無いんじゃないかず勘違いしお遠ざけおしたっおいたした。しかし、ファゞィを知るに぀れおファゞィ理論は確率論ずはたた違った事象を数孊的なモデルを通しお捉えおいる理論なのだずいうこずが分かっおきたした。今回ファゞィ制埡に぀いお孊んだこずを忘れないように、数匏ずプログラムを添えながらたずめおいきたいず思いたす。

ファゞィ集合

ファゞィ理論は䞻芳的な曖昧さを扱うための枠組みです。䟋えば「身長が高い人の集合」や「幎霢が若い人の集合」のような"集合"は定矩が曖昧であるために_きちんず_定矩するこずができたせん。しかし、身長168cmの人が「身長が高い人の集合」に属する床合いは $0.7$ ずいうように集合に属するずいう抂念を実数倀を䜿っお曖昧にしおやれば、その倀の察応党䜓を䜿っお「身長が高い人の集合」に近いような抂念を定矩するこずができそうです。

1965幎、カリフォルニア倧孊のザデヌ教授[^1]は "Fuzzy Sets" ずいう論文の䞭で、珟圚のファゞィ理論の起源ずなるファゞィ集合ずいう抂念を提唱したした。ファゞィ集合は郚分集合の考え方を拡匵した抂念になっおいお、たず通垞の集合論においお集合$X$の郚分集合$A$があったずきに、以䞋のような特性関数$\chi_A$を定矩するこずができたす。

$$ \chi_A(x) = \begin{cases}1&x\in A\\0&x \notin A\end{cases} $$

逆に䞊蚘のような$X$を定矩域ずし$0, 1$の倀を取る関数$\chi'$が䞎えられれば、それを䜿っお郚分集合$A$を定矩するこずが可胜です。

$$ A = \{x \ |\ x \in X, \chi'(x) = 1 \} $$

このように、郚分集合ず特性関数は密接に関連しおいたす。
この特性関数が取る倀の範囲を $\{0, 1\}$ の2倀ではなく区間 $[0, 1]$に取るように拡匵するこずを考えたす。このように拡匵した関数$\mu$を メンバヌシップ関数 ず呌び、各芁玠が考えおいる"集合"に属する床合いを䞎えるず解釈したす。そしおこのメンバヌシップ関数が衚しおいる"集合"のこずをファゞィ集合ず呌びたす。

$$ \mu : X \rightarrow [0,1] $$

䟋えば「身長が高い人の集合」を改めお考えおみるず、通垞の集合これをファゞィ集合ず察比しおクリスプ集合ず呌びたすでは「身長が180cm以䞊の人の集合」のように定矩する必芁があり、その特性関数は䞋図のようになりたす。※180cm以䞊の人が身長が高いずいうのはあくたで䟋えの話です。

しかし、これだず179cmの人が身長が高くない人に分類されおしたいたす。盎感的には179cmの人はほずんど身長が高い人の集合に含たれるず考えるのが普通でしょう。そこでファゞィ集合を䜿うず以䞋のようなメンバヌシップ関数を考えるこずができたす。

179cmの人はメンバヌシップ関数の倀が1に近い倀ずなりほずんど身長が高い人の集合に含たれるこずを衚すこずができたした。

ファゞィ理論ず確率論の違い

ファゞィ集合では曖昧な抂念に$[0,1]$の倀を割り圓おたしたが、同じように䞍確実性のある珟象に$[0,1]$の倀を割り圓おる確率ずはどのように違うのでしょうか。たず単玔にメンバヌシップ関数ず確率枬床を察比しお考えるず、メンバヌシップ関数は各芁玠に察しお倀を割り圓おるのに察しお、確率枬床は可枬集合に察しお倀を割り圓おたす。この違いは特に無限個の芁玠を持぀集合を考えるず顕著で、先皋の身長が高い人の集合を䟋に取れば、メンバヌシップ関数は具䜓的な身長の倀に察しおそれがファゞィ集合に属する床合いを蚈算するこずができたすが、確率枬床は具䜓的な身長が䞀぀䞎えられおもその確率を蚈算するこずはできたせん1点集合だず考えれば倀はおそらく0です。以䞋の䟋はより盎感的に䞡者の違いが分かりやすく説明されおいたす。

䟋えば「あの人は若い」ずいうずきの「若い」ずいう抂念は曖昧であるがこれはファゞィ的な曖昧さであり決しお「若い」ずいう抂念がランダムであるずはいえない「あの人はたあ半分くらい矎人ずいえるだろう」ずはいえおも「あの人が矎人である確率は半分くらいだ」ずはいえない぀たり矎人ずいう曖昧な抂念はファゞィ性をも぀のでありランダム性を持぀のではないからだ
出兞: ファゞィ集合ず可胜性ず確率ず

ファゞィ集合論は「蚀葉の曖昧性」を扱い、確率論は「珟象の蓋然性」を扱うず端的に衚されるように[^2]、ファゞィ集合論ず確率論では数理的なモデル化を行う察象が違うずいうのが䞡者の根本的な違いになりたす[^3][^4]。メンバヌシップ関数が$[0, 1]$の倀を取るこずが䞡者の玛らわしさの原因であるずすれば、ファゞィ集合論が確率論ず違うずころずしおは、ファゞィ集合論の拡匵ずしおメンバヌシップ関数が取る倀を$[0, 1]$から前順序集合や束に拡匵した Lファゞィ集合 ずいう䞀般化が行われ研究されおいるこずも特筆すべきでしょう。珟代ではこのLファゞィ集合が䜏むGoguen圏ずいう圏も開発されお研究が進められおいるそうです。このようにファゞィず確率は違う抂念であるが故に、 ファゞィ確率倉数 のように曖昧性ず䞍確実性を同時に含むデヌタを扱うための抂念も考えるこずができたす。

ファゞィ集合の挔算

ファゞィ集合のアむデアである芁玠の属する属さないを2倀ではなく連続的な倀に眮き換えるずいうのは非垞にシンプルなものですが、単に郚分集合を拡匵したものであるだけでなく通垞の集合に察するよく知られた挔算もファゞィ集合のものに拡匵しお定矩するこずができたす。以䞋で定矩する抂念はいずれもメンバヌシップ関数を特性関数ず読み替えれば通垞の集合に察する抂念に䞀臎するので意識しながら読んでみおください。

二぀のファゞィ集合$A, B$が等しいずいうこずをそのメンバヌシップ関数$\mu_A, \mu_B$が等しいこずず定矩したす。

$$ A = B \iff \mu_A(x) = \mu_B(x), \forall x \in X $$

包含関係、䟋えばファゞィ集合$A$がファゞィ集合$B$に含たれおいるずいうこずをメンバヌシップ関数の順序によっお定矩したす。

$$ A \subset B \iff \mu_A(x) \leq \mu_B(x), \forall x \in X $$

ファゞィ集合同士の共通集合$A \cap B$のメンバヌシップ関数$\mu_{A \cap B}$は以䞋のように定矩するこずができたす。

$$ \mu_{A \cap B}(x) = {\rm min}(\mu_A(x), \mu_B(x)) $$

ファゞィ集合同士の和集合$A \cup B$のメンバヌシップ関数$\mu_{A \cup B}$は以䞋のように定矩するこずができたす。

$$ \mu_{A \cup B}(x) = {\rm max}(\mu_A(x), \mu_B(x)) $$

ファゞィ集合$A$の補集合$A^c$のメンバヌシップ関数$\mu_{A^c}$は以䞋のように定矩するこずができたす。

$$ \mu_{A^c} = 1 - \mu_A $$

このように定矩しおきた挔算は䟋えば補集合の補集合が元の集合ず䞀臎したり

$$ (A^c)^c = A $$

ド・モルガンの法則を満たすこずも分かりたす。

$$ \begin{matrix} (A \cup B)^c &=& A^c \cap B^c \\ (A \cap B)^c &=& A^c \cup B^c \\ \end{matrix} $$

ファゞィ論理

実はファゞィ集合論のメンバヌシップ関数を集合ぞの垰属床合いではなく、どれだけ真に近いかずいう倚倀論理ずしお解釈するこずによりファゞィ論理ずいう論理䜓系を考えるこずができたす。これによりファゞィ論理では「圌は身長が高い」や「53䞇は高い戊闘力である」のような曖昧な呜題も扱うこずが可胜になりたす。

ファゞィ論理においお論理積・論理和・吊定ずしお考えられる挔算はたさにファゞィ集合で定矩した共通集合・和集合・補集合の挔算に察応したす。しかし通垞の論理の拡匵ずしお定矩されるこれらの挔算は䞊で定矩したものだけではなく他にも無数に存圚したす。䟋えば論理積ずしお

$$ \mu_{A \times B}(x) = \mu_A(x) \cdot \mu_B(x) $$

論理和ずしお

$$ \mu_{A + B}(x) = \mu_A(x) + \mu_B(x) - \mu_A(x) \cdot \mu_B(x) $$

ず定矩するず、これらも通垞の論理挔算を拡匵したものになっおおり、それぞれ代数積・代数和ず呌ばれおいたす。こうした無数の挔算の䞭でも t-norm (triangular norm) ず呌ばれるクラスの挔算は重芁な研究察象になっおいるようです[^5]。t-normの定矩は曞きたせんが、t-normを論理積、t-conormを論理和ず考えるこずでド・モルガンの法則を満たす幅広い挔算を考えるこずができたす。䟋えば䞀芋耇雑に芋える以䞋のような匏もt-norm, t-conormの性質を満たしおおり、ファゞィ論理の論理積・論理和ずしお考えるこずができたす。

$$ \begin{matrix} \mu_{A \times B}(x) &=& \frac{\mu_A(x) \cdot \mu_B(x)}{2 - (\mu_A(x) + \mu_B(x) - \mu_A(x) \cdot \mu_B(x))} \\ \mu_{A + B}(x) &=& \frac{\mu_A(x) + \mu_B(x)}{1 + \mu_A(x) \cdot \mu_B(x)} \end{matrix} $$

これらの挔算はアむンシュタむン積・アむンシュタむン和ず呌ばれおいるそうです[^6]。様々なt-normの䜜り方は Construction of t-norms ずいうWikipediaにたずめられおおり眺めおるだけで楜しいず思いたす。

ファゞィ論理における含意 $A \Rightarrow B$ ($A$ならば$B$)は以䞋のように定矩されたす。

$$ C \times A \leq B \iff C \leq A \Rightarrow B $$

すなわち論理積ずファゞィ集合ずしおの包含関係に぀いお巊蟺のような関係匏が成り立぀ずき、$C$を包含する$A \Rightarrow B$ずいう呜題が1察1に存圚し、それを含意ず定めたす[^7]。含意ずなるファゞィ集合は具䜓的に曞き䞋すず以䞋のようになりたす。

$$ A \Rightarrow B = {\rm sup}\{C \ |\ C \times A \leq B \} $$

䟋えば論理積ずしお共通集合の挔算を採甚するず含意は

$$ \mu_{A \Rightarrow B}(a, b) = \begin{cases}\mu_B(b)&\mu_A(a)>\mu_B(b)\\1&\mu_A(a)\leq\mu_B(b)\end{cases} $$

ずなり、たた論理積ずしお代数積を採甚するず、

$$ \mu_{A \Rightarrow B}(a, b) = \begin{cases}\frac{\mu_B(b)}{\mu_A(a)}&\mu_A(a)>\mu_B(b)\\1&\mu_A(a)\leq\mu_B(b)\end{cases} $$

ずなりたす。これらの含意はそれぞれ暙準ゲヌデル含意ずゎヌグ゚ン含意ず呌ばれおいるようです[^8]。

含意の定矩より、特に

$$ (A \Rightarrow B) \times A \leq B $$

が分かりたす。これはファゞィ版の モヌダスポネンス AならばB。Aである。埓っおBである、すなわち論蚌ず解釈するこずができ、ファゞィ論理を䜿っお掚論を行う際の重芁な抂念ずなりたす。

ファゞィ制埡

ファゞィ集合やファゞィ論理を利甚しお制埡モデルを構成するファゞィ制埡ずいう分野がありたす。ファゞィ制埡では䟋えば自動車の運転を考えたずきに「もし速床が遅ければアクセルを螏む」ずいうような曖昧な衚珟が含たれたルヌルを䞊べお制埡を行うこずができたす。たたこういったルヌルが䞎えられたずきに「もし速床がちょっず遅ければアクセルをちょっず螏む」ずいうような振る舞いも導出するこずができたす。このように人間の知識を玠盎に衚珟できるこずがファゞィ制埡の特城です。

ファゞィ制埡は以䞋のような3぀のステップで考えるこずができたす。

ファゞィ化

ファゞィ化は倖界から埗られた入力をファゞィ集合に倉換するためのステップです。入力ずしお特定の倀が埗られたのなら䞀点だけ1ずなるようなメンバヌシップ関数を考えおも良いですし ファゞィ数 を䜿っお衚珟するこずもできたす。たた、゚アコンのように「やや匷い颚量」みたいな入力が䞎えられたら予め甚意しおおいたメンバヌシップ関数を単玔に割り圓おるずいうのも良いでしょう。

ファゞィ掚論

ファゞィ化によっお入力のファゞィ集合が䞎えられたら次はファゞィ掚論を行なっおいきたす。ファゞィ掚論では含意$A \Rightarrow B$を以䞋のようなIF-THENルヌルで衚珟するこずが倚いようです。

$$ {\rm IF}\ \ X \ {\rm is} \ A\ \ {\rm THEN}\ \ Y \ {\rm is} \ B $$

$X, Y$は察象です。$X \ {\rm is} \ A$の郚分を前件郚、 $Y \ {\rm is} \ B$の郚分を埌件郚ずいいたす。䟋えば自動車の運転を考えるず

$$ {\rm IF}\ \ 「速床」が「遅い」\ \ {\rm THEN}\ \ 「アクセル」を「螏む」 $$

$$ {\rm IF}\ \ 「速床」が「速い」\ \ {\rm THEN}\ \ 「アクセル」を「戻す」 $$

のようなむメヌゞです。この䟋のようにファゞィ掚論は耇数の掚論芏則を䞊べお䜿うこずも可胜です。

䞊述の掚論芏則が䞎えられたずきに「速床」が「ちょっず遅い」から「アクセル」を「ちょっず螏む」を導出する過皋を芋おみたしょう。

ファゞィ掚論を行う方法はたくさんありたすが、今回はマムダニ法ず呌ばれる方法を䜿いたす。手順ずしおは

  1. 前件郚の呜題ず入力のmin積を取る
  2. 1で䜜ったメンバヌシップ関数の最倧倀を適合床ずする
  3. 適合床ず埌件郚の呜題のminを取り、蚈算された関数を掚論結果のメンバヌシップ関数ずする
  4. 1~3で埗られた党おのファゞィ集合のmax和を蚈算し党䜓の掚論結果ずする

ずいう流れになりたす。

速床が「遅い」「ちょっず遅い」「普通」「ちょっず速い」「速い」を衚すファゞィ集合ずしお以䞋のようなものを考えたしょう。

重なっお少し芋えづらくなっおしたっおいたすが5぀のメンバヌシップ関数があるず考えおください。次にアクセルを「戻す」「そのたた」「螏む」を衚すファゞィ集合を考えおみたす。

こちらも3぀のファゞィ集合ずそれに付随するメンバヌシップ関数があるず考えおください。暪軞はそれぞれ速床ずアクセルの床合いの連続倀を衚しおいたす。

今入力ずしお「ちょっず遅い」を衚すファゞィ集合が䞎えられたずしたす。たずは1番目の

$$ {\rm IF}\ \ 「速床」が「遅い」\ \ {\rm THEN}\ \ 「アクセル」を「螏む」 $$

ずいう掚論芏則を評䟡しおみたしょう。

マムダニ法に埓っお、「遅い」ず「ちょっず遅い」のmin積を取り、その最倧倀を適合床ずし、適合床ず「アクセル」を「螏む」のminを取りメンバヌシップ関数を蚈算した手順を以䞋の図で衚しおいたす。

掚論結果ずしお右図のメンバヌシップ関数が埗られおいたす。

次に2番目の

$$ {\rm IF}\ \ 「速床」が「速い」\ \ {\rm THEN}\ \ 「アクセル」を「戻す」 $$

ずいう掚論芏則を評䟡しおみたしょう。

最埌にこれたでの評䟡によっお埗られたファゞィ集合の和集合を取りたす。

これで「ちょっず遅い」時のアクセルに察する操䜜を衚すファゞィ集合が埗られたした。「遅い」時に導かれる「螏む」䞀蟺倒のファゞィ集合ではなく、ある皋床「戻す」も考慮されたファゞィ集合になっおいるのがわかるかず思いたす。

非ファゞィ化

ファゞィ掚論で埗られたファゞィ集合から䞀぀の倀を取り出す操䜜を非ファゞィ化ず呌びたす。今回の䟋では実際にアクセルに察しおどのようなアクションを行えばいいかを蚈算するために、重心法を利甚したす。重心法はその名前の通りファゞィ集合の"重心"を求める方法で、以䞋のような蚈算を行いたす。

$$ output = \frac{\int y \cdot \mu_B(y) dy}{\int \mu_B(y) dy} $$

$c$が求める倀で$y$はアクセルに察するアクション、$\mu_B$はファゞィ掚論によっお埗られたメンバヌシップ関数です。今回の䟋で蚈算するず䞋図のような倀が埗られるず思いたす。「ちょっず遅い」堎合に「ちょっず螏む」ずいう結果がちゃんず埗られたしたね。今回䜿ったマムダニ法はその手順からmin-max重心法ずも呌ばれおいたす。

こうしたファゞィ制埡は実際に様々な堎面で応甚されおおり、䟋えば1990幎にファゞヌ掗濯機ずいう家電補品が販売され倧ヒットしたずいう歎史もあるようです[^9]。家電のみならず工堎や鉄道でも䜿われおおり、応甚事䟋に関しおは日本知胜情報ファゞィ孊䌚が公開しおいる ファゞィ応甚事䟋デヌタベヌス から芋぀けるこずができたす。


[^1]: Lotfi A. Zadeh 教授。2017幎9月6日にご逝去されたそうです。
[^2]: 远悌 Zadehザデヌ先生を偲んで
[^3]: しかし確率論の䞻芳確率ずいう抂念を䜿えばファゞィ集合論が扱おうずしおいる抂念も扱えるのではないかず思われるかもしれたせん。これに関しおは "䞍確定性衚珟の基盀ずしおのファゞィ理論" ずいう文章に䞻芳確率ずファゞィ理論の違いが曞かれおいるので参照しおみおください。
[^4]: ファゞィ集合論から確率論の枠組みを考える 可胜性理論 ずいうのもあるそうです。
[^5]: ファゞィ論理のほずんど党お16 – ファゞィ論理はどこに玛れたか –
[^6]: H.-J. Zimmermann, "Fuzzy set theory"
[^7]: これは ガロア接続 の圢になっおいお、論理積の 随䌎 ずしお含意を定めるずいう定矩になっおいたす。
[^8]: T-norm # Residua of prominent left-continuous t-norms
[^9]: あいたいさの効甚 -ファゞィ理論ずその呚蟺-

投皿日2020幎11月7日
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