灰色系统分析讲义

1、数学建模讲稿灰色系统分析五步建模思想研究一个系统，一般应首先建立系统的数学模型，进而对系统的整体功能、协调 功能以及系统各因素之间的关联关系、因果关系、动态关系进行具体的量化研 究。这种研究必须以定性分析为先导，定量与定性紧密结合。系统模型的建立， 一般要经历思想开发、因素分析、量化、动态化、优化五个步骤，故称为五步建 模。第一步：开发思想，形成概念，通过定性分析、研究，明确研究的方向、目标、 途径、措施，并将结果用准确简练的语言加以表达，这便是语言模型。第二步：对语言模型中的因素及各因素之间的关系进行剖析，找出影响事物发展 的前因、后果，并将这种因果关系用框图表示出来（见图1）。!| !果亠

2、 环4X：Y节4(a) (b) 图1坏P14师* 4q -坏布$亠和2一对前因后果（或一组前因与一个后果）构成一个环节。一个系统包含许多这样 的环节。有时，同一个量既是一个环节的前因，又是另一个环节的后果，将所有 这些关系连接起来，便得到一个相互关联的、由多个环节构成的框图（如图2所 示），即为网络模型。图1第三步：对各环节的因果关系进行量化研究，初步得出低层次的概略量化关系， 即为量化模型。第四步：进一步收集各环节输入数据和输出数据，利用所得数据 序列，建立动态GM模型，即动态模型。动态模型是高层次的量化模型，它更为深刻地揭示出输入与输出之间的数量关系 或转换规律，是系统分析、优化的基础。第

3、五步：对动态模型进行系统研究和分析，通过结构、机理、参数的调整，进行 系统重组，达到优化配置、改善系统动态品质的目的。这样得到的模型，称之为 优化模型。五步建模的全过程，是在五个不同阶段建立五种模型的过程：网络模型优化模型在建模过程中，要不断地将下一阶段中所得的结果回馈，经过多次循环往复，使 整个模型逐步趋于完善。数学建模讲稿灰色系统分析 灰色系统建模的基本思路可以概括为以下几点： 1科学实验数据；02经验数据；03生产数据；04决策数据。(1)建立模型常用 的数据有以下几种：O(2) 序列生成数据是建立灰色模型的基础数据。(3) 般非负序列累加生成后，得到准光滑序列，对于满足光滑条件的序列，

4、 即可建立GM微分模型。(4) 模型精度可以通过不同的灰数生成方式，数据的取舍，序列的调整、修正 以及不同级别的残差GM模型补充得到提高。(5) 灰色系统理论采用残差大小检验、关联度检验、后验差检验三种方法检 验、判断模型的精度。灰色系统分析白”指信息完全确知， 黑”指信息完全不确知， 灰”则指信息部分确知，部分不 确知，或者说信息不完全。这是 灰”的基本含义。对于不同问题，在不同的场合，灰”可以引伸为别的含义。如：从表象看：明”是白，暗”是黑，那么 半明半暗或若明若暗”就是灰。从态度看：肯定”是白，否定”是黑，那么 部分肯定，部分否定”就是灰。从性质看：纯”是白，不纯”是黑，那么 多种成分”

5、就是灰。 从结果看：唯一”是白，无数”是黑，那么 非唯一”就是灰。从过程看：新”是白，旧”是黑，那么 新旧交替”就是灰。 从目标看：单目标”是白，无目标”是黑，那么 多目标”就是灰。类似地可以举出许多例子，就其基本含义而言，灰”是信息不完全性与非唯一性。信息不完全性与非唯一性在人们认识与改造客观世界的过程中会经常遇到的。 客观世界是物质世界，也是信息世界。所谓系统是指：由客观世界中相同或相似 的事物按一定的秩序相互关联、相互制约而构成的整体。例如工程技术系统，社 会系统，经济系统等等。所谓白色系统是指：信息完全明确的系统。如，一个家庭，其人口、收入、支 出、父子、母女上下间的关系等等完全明确；

6、一个工厂。其职工、设备、技术条 件、产值、产量等等信息完全明确。像家庭、工厂这样的系统就是白色系统。 所谓黑色系统是指：信息完全不明确的系统。如遥远的某个星球，其重量、体 积、是否有生命等等全然不知；湖北原始森林神农架的野人，其生活习性、群体 关系，交换信息的方法等等完全不清楚，这样一类的系统都是黑色系统，还有飞 碟、百暮三角洲等等目前只能看成黑色系统。所谓灰色系统是指：介于白色系统与黑色系统之间的系统(Grey System)，即系统内部信息和特性是部分已知的另一部分是未知的。例如人体，其身高、体重、 年龄、血压、脉搏、体温等等都是已知的，而人体的穴位的多少，穴位的生物、 化学、物理性能；生

7、物信息的传递；温度场；意识流等等尚未确知或者知道不透 彻。因此把人体看成灰色系统。灰色关联分析的基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否 紧密。曲线越接近，相应序列之间的关联度就越大，反之就越小。灰色系统分析方法主要是根据具体灰色系统的行为特征数据，充分利用数量不多 的数据和信息寻求相关因素与各因素之间的数学关系，即建立相应的数学模型。、基本概念灰数，是客观系统中大量存在着随机的，含混的，不确知的参数的抽象。因此灰 数是在指定范围内变化的所有白化数(确知数值的数)的全体。如某人的年龄18岁左右”这“1岁左右”就是灰数。0000是由于对某人确定的出身年月缺乏信息。又如今天气温在2

8、533之间”这“ 253之 间”就是灰数。?。令a为区间，a为a中的数，若灰数？在a内取值，称a为？的一个可能的白化 值。用ii(a)是灰数？的白化值。注意：符号描述是：？为一般灰数，？(a是以a为白化值 的灰数，？ii某个只知大概范围，而不知其准确数值的全体实数，称为灰数，记 作数学建模讲稿灰色系统分析(a河以为a,也可以不为a,关键是取决于取数时所获得的补充信息。例如最近气温在？(29) 25,33(这里25,33,或记作？，即最近的气温是灰数？，可记作? 2533之间” 00(29)=29,而29是一个可能的白化值)。如果指定某一天某一刻(这叫补充信息)其气温为29度，则？(29)=某天

9、某时刻的气温为31度，则？31，意思是以29度为白化值的最近灰气温 的白化值为31度。二、灰色关联分析1. 灰色关联分析的目的寻求系统中各因素间的主要关系，找出影响目标值的重要因素，从而掌握事物的 主要特征，促进和引导吸引迅速而有效地发展。2. 灰色关联分析的方法它是对一个系统发展变化态势的定量描述和比较的方法。发展态势的比较，依据 空间理论的数学基础，按照规范性、偶对对称性、整体性和接近性这四条原则， 确定参考数列(母数列)和若干比较数列(子数列)之间的关联系数和关联度。3. 灰色关联分析与数理统计的相关分析的区别(1) 理论基础不同灰色关联分析基于灰色系统的灰色过程，而相关分析则基于概率论

10、的随机过程(2) 分析方法不同灰色关联分析进行因素间时间序列的比较，而相关分析则进行因素间数组的比较；(3) 数据量要求不同灰色关联分析不需要太多的数据，而相关分析则需要足够的数据量；(4) 研究重点不同灰色关联分析主要研究动态过程，而相关分析则以静态研究为主。4. 关联度与关联系数两个系统或两个因素间关联性大小的度量，称为关联度。关联度描述了系统发展的过程中，因素间相对变化的情况，也就是变化的大小， 方向与速度等相对性。如果两者在发展过程中，相对变化基本一致，则认为两者 关联度较大，否则认为关联度较小。(1) 单因素的情况如果系统行为只有一个因子x,而x受到多种因素x00i因子关联系数的计算

11、方法设系统行为因子的参考数列为一种利用因素x对i=1,2, ,n的影响，ixO的灰色关联度来表示xi对xO影响大小的方法称为灰色关联分析。，相关因素为x0=x0(1),x 0(2), ,x0( n) xi=xi(1),xi(2), ,xi(n)i=1,2, ,m ，记?i(k)=x0(k)-xi(k)(k=1,2, ,n;其中a 0,1,称为分辨率系数，当aa =0.5 1< i < m则参考数列x0在第k点的灰色关联系数为minmin?i(k)+ a maxmax?i(K) kr(x0(k),xi(k)=i?i(k)+a maxma越大)ik分辨率越大；当a越小，分辨率越小。一般

12、情况取i=1,2, ,m灰关联度计算公式为：1nri=r(x0,xi)= 刀(r(x0(k),xi(k) nk=1(2) 多因子情况设系统行为有多个因子，不妨设因子集为X等，或者接近，或者同数量级等等；=xii=1,2, ,l,如果因素数列xi满足下列条件：1)数列x的数据x(k)之间具有可 比性，即指定x(k)与x(k)之间的数值可以比较的，或者相iiij3数学建模讲稿灰色系统分析2) 数列x之间具有可接近性，即非平等性；i3) 数列x之间具有同级性，即同为正(极大值)极性，或负(极小值)极性， 或中极性。i以灰关联因子集X中的一个因子xi(1 <i w为参考数列，(k=1,2, ,n

13、;j=1,2, ,l)，相对应的差数列为：?xj X，记?ij(k)=xi(k)-xj(k)则比较数列xj对参考数列xi在第k点的关联系数为：?ij(k)=(?ij(1),?ij(2), ,?ij( n)，r(xi(k),xj(k)=灰关联度计算公式为：minminmin?ij(k)+ a maxmaxmax?ij(k)ijkij k ?ij(k)+ a maxmaxmax?ij(k) ij k1nrij=r(xi,xj)= 刀(r(xi(k),xj(k)ni=1i=1,2, ,m;j=1,2, ,l4.数据变换由于系统中各因素的物理意义不同，导致数据的量纲也不一定相同，如劳动力为 人，产值为

14、万元，产量为吨，而且有时数值的数量级相差悬殊。如人均收入为几 百元，粮食亩产几千斤，费用几十万元，产值有的几万元，有的却达到百亿元 等，这样比较时就难以得到正确的结果，为了便于分析，保证各因素具有等效性 和同序性，因此需要对原始数据进行处理，使之无量纲化和归一化。(1)初值化处理对一个数列的所有数据均用它的第一个数去除，从而得到一个新的数列的方法称 为初值化处理。这个新数列表明原始数列在不同时刻的值相对于第一时刻值的倍 数，该数列有共同的起点，无量纲，其数据均大于零。设有原始数据x=x(1),x(2), ,x(n)，对x作初值化处理得到数列y，贝U?x(1)x(2)x( n)? yO=yO(1

15、),yO(2), ,y0(n)= ? , ,?x(1)x(1)x(1)00?0?(2) 均值化处理对一个数列的所有数用它的平均值去除，从而得到一个新数列的方法称为均值化 处理。这个新数列表明原始数列中不同时刻的值对平均值的倍数。该数列无量 纲，其数据均大于零。设原始数列为x令则=x0(1),x0(2), ,xO(n),对xO作均值化处理得到数列yO，1nxO=E xO(k)n k=1?x0(1)x0 (2)x0( n)?yO=yO(1),yO(2), ,y0(n)= ? , ,? xxxOO? 05. 应用实例下表是中国1998年一2OO5年能源数据；惜口门冷翎诵g2000HQ I200220

16、03200120«62770MM6372163223win71263Tree8553814127>5322112221133247E415102456361wan理冀a £141761517215165LH7B14523L51T91642517177182016361911I "07160216 3&16311710机卢ft*1915213021212655300434203425数学建模讲稿灰色系统分析选取总能源xO为参考数列,234xO=6277O,64562,63721,63223,66772,71263,77847,85538以煤炭产量 x、

17、石油 产量X、天然气产量x、水电产量x为比较数列。1(1) 原始数据作均值化处理设原始数列为xi=xi(1),xi(2), ,xi(8)，对xi作均值化处理得到数列yi，令，则18xi=刀 xi(k)8k=1?xi(1)xi(2)xi(8) ?yi=yi(1),yi(2), ,yi(8)= ? , ,? i=O,1,2,3,4xixi? xi(2) 求差序列？(3) 计算参考数列 i(k)=yi(k)-yO(k)(i=1,2,3,4;k=1,2,3,4,5,6,7,8)，取 a =0.5 r(yO(k),yi(k)=minmin?i(k)+a maxmax?i(k)在第y(k 点的灰色关联系数

18、为ik?i(k)+a maxmax?i(k)i=1,2,3,4(4) 计算灰关联度18ri=r(yO,yi)= 刀(r(yO(k),yi(k)8k=1i=1,2,3,4用 MATLAB 编程得到结果为：r1 =O.9O87, r2 =O.7151, r3 =O.5O73, r4 =O.5659这里r1 =O.9O87最大，说明煤炭在总能源中的地位十分重要，煤炭工业状况和总 能源的发展关系最为密切，因此抓能源要重视煤炭工业的发展。三、灰色生成数列将原始数据x(k)按某种要求作数据处理，称为生生成。数据的生成方式有多种， 最常见的有：O(1)累加生成把数列各时刻的数据依次累加的过程称为累加生成过程

19、，记作AGO (AcumulatedGen erat ing Operati ng设原始数列为 x=x(1),x(2), ,x(n) , 0000令 x1(k)=刀x0(i)k=1,2, ,ni=1k，则x1=x1(1),x1(2), ,x1(n)=x0(1),x0(1)+x0(2), ,x0(1)+x0(2)+ +x0(n)称 x 为数列 x 的1次累加生成的数列。若令10xr(k)= Xx(i)k=1,2, ,ni=1k，称之为数列x的0r次累加生成的数列。(2) 累减生成对于原始数据列依次做前后相邻的两个数据相减的运算过程称为累减生成过程，记作IAGO，如果原始数列为x为数列 0=x0(

20、1),x0(2), ,x0(n)，令 x1(k)=x0(k)-x0(k-1)k=2,3, n，则称 x1 而 x(k)=x 称为数列 xx0 的 1 次累减生成。0rr-1(k)-xr-1(k-1)k=2,3, ,n的r次累减生成(3) 均值生成设原始数列为x0=x0(1),x0(2), ,x0(n),称x0(k-1)与x0(k)为数列x0的邻值，a 0,1，称x0(k-1)称为后邻值，x(k)称为前邻值，对于常数0y0(k)= a x+)0(k四、灰色预测a(0x)为由数列x0的邻值在生成系数(权)a下的邻值生成数。-k(1)5 数学建模讲稿灰色系统分析灰色预测，是基于灰色动态模型(Grey

21、 Dynamic Model)，简称GM的预测。 GM (m,n)表示m阶n个变量的微分方程。微分方程适合描述社会经济系统，生 命科学内部过程动态特征。因此灰色系统预测模型的建立，常常应用微分拟合法 为核心的建模方法，GM (m,n)模型中，由于m越大，计算越复杂，所以用灰色 模型GM (1,n),称为单序列一阶线性动态模型。灰色预测它是指利用MG的模型对系统行为特征的发展规律进行估计预测，同时也可以对行为特征的异常情况 发生时刻进行估计计算，以及对在特定时区内发生的事件的未来时间分布情况做 出研究等等。灰色预测方法的特点表现在：首先是它把离散数据视为连续变量在其变化过程中 所取的离散值，从而

22、可利用微分方程式处理数据；而不直接使用原始数据而是由 它产生累加生成数，对生成数列使用微分方程模型。这样，可以抵消大部分随机 误差，显示出规律性。1灰色系统理论的建模思想下面举一个例子，说明灰色理论的建模思想。考虑4个数据，记为X(0)(1),X(0)(2),X(0)(3),X(0)，19 £34W131上图表明原始数据X没有明显的规律性，其发展态势是摆动的。如果将原始数据 作累加生成，记第k个累加生成为X(1)(k),并且(0)X(1)(1)=X(0)(1)=1X(1)(2)=X(0)(1)+X(0)(2)=1+2=3X(1)(3)=X(0)(1)+X(0) (2) +X(0) (

23、3)=1+2+1.5=4.5X(1)(4)=X(0)(1)+X(0) (2) +X(0) (3) +X(0) (4)=1+2+1.5+4=8.5123符号Xlhl2)0'X1U4J 1L59. 5上图表明生成数列X是单调递增数列。2.灰色预测方法(0)(0)(0)(0)X=(x(1),x(2), ,x(n)，定义 1 设数学建模讲稿灰色系统分析X(1)=(x(1)(1),x(1) (2), ,x(1)( n)(0)(1)x(k)+ax(k)=b (1)为 GM(1,1)模型的原始形式。 称符号GM(1,1)的含义如下：GGrey Model(灰色)(模型)(1,1)1阶方程1个变量(0

24、)(1)(1)(1)Z=(z(2),z(3), ,z(n) X,X 定义 2 设如定义 1 所示，z(1)(k)=其中 1(1)(x(k)+x(1)(k-1)(0)(1)x(k)+az(k)=b(2) 2 称为GM(1,1)模型的基本形式。定义3设X(0)为非负序列，X(1)为X(0)的1-AGO序列，Z(1)为X(1)的紧邻均值 生成序列，(1) a,bT=(BTB)-1BTY，则称 d 叫影子方程。定理1设X(0)(1)dt(1)+ax=b为GM(1,1)模型x(k)+az(k)=b的白化方程，也(0)为非 负序列：X(0)=(x(0)(1),x(0)(2), ,x(0)(n)(1)其中

25、x(0)(k)> 0,k=1,2,iX 为 X(0)的 1-AGO 序列：X(1)=(x(1)(1),x(1) (2), ,x(1)( n)其中 x(k)=(1) Exi=1(1)k(0)(i)，k=1,2, n； Z(1)为 X(1)的紧邻均值生成序列：(1)(1) Z=(z(2),z(3), ,z(n)(1)其中 z(1)(k)=1(x(1)(k)+x(1)(k-1)，k=2,3 ,n。2T若a?=(a,b为参数列，且? (0)(2)? ? -(1)(2)x? (0)? ? z(1)，(3)? ? -z(3)Y=?xB=? ? ? (0)? ? (1)? ? ?- z(n)? x(n

26、)?(0)1? ? 1?(3) ? 1?则 GM(1,1)模型 x(k)+az(1)(k)=b 的最小二乘估计参数列满足?=(BTB)-1BTY a数学建模讲稿灰色系统分析?=a,bT=(BTB)-1BTY，则 定理 2 设 B,Y,a 如定理 1 所述，a1白化方程？ A d(1)dt+ax=b 的解也称时间响应函数为 aa(1) x(1)(t)=(x(1)(1)-b)e-at+b (4)2? GM(1,1)模型x(0)(k)+az(1)(k)=b的时间响应序列为 ?x(1)b-akb(0)(k+1)=(x(1)-)e+ ; k=1,2, n (5) aa3?还原值x?(k+1)=(0)?

27、a x(1)(1)(k+1)=?x(1)(k+?)k)=(1-(1)eab-ak(0)(x(1)-)e； k=1,2, n a 定义4称GM(1,1)模型中的参数-a为发展系数，b为灰色作用量。反映了 x-a ?及 x?的发展态势。一般情况下，系统作用量应是外生的或者前定的，而 GM(1,1)是单序列建模，只用到系统的行为序列(或称输出序列、背景值)，而无外作用序 列(或称输入序列、驱动量)。GM(1,1)模型中的灰色作用量是从背景值挖掘出 来的数据，它反映数据变化的关系，其确切内涵是灰的。灰色作用量是内涵外延 化的具体体现，它的存在，是区别灰色建模与一般输入输出建模(黑箱建模)的 分水岭，也

28、是区别灰色系统观点与灰箱观点的重要标志。定理3 GM(1,1)模型x(k)+az(k)=b 可以转化为(0)(1)(1)(0)x其中(0)(k)= -a x(k1) (6) (1)ba, a = 1+0.5a1+0.5aba定理 4 设 B= a=，且 1+0.5a1+0.5a B =?(1)=(x?(1)(1),x?(1)(2), ,x?(1)( n) X?(k)=(x为GM(1,1)模型时间响应序列，其中x则(1)(0)b-a(k-1)b(1)-)e+ ； k=1,2, n aax(0)(k)=( - a B(0)x(0)(1)e-a(k-2) (7)定理5若X为准光滑序列，则其 GM(1

29、,1)发展系数-a可 表示为ba=(1)(k-1)- p (k)1+0.5 p (k)(8)其中 p (k)=(k)x(k-1)(1)(0)数学建模讲稿灰色系统分析随着发展系数的增大，模拟误差迅速增加。当发展系数小于或等于0.3时，模拟精度可以达到98%以上，发展系数小于或等于0.5时，模拟精度可以达到95%以 上，发展系数大于1,模拟精度低于70%，发展系数大于1.5,模拟精度低于 50%。一般地：(1)当一a< 0.3寸，GM(1,1)可用于中长期预测；(2) 当0.3< a<0.5寸，GM(1,1)可用于短期预测，中长期预测慎用；(3) 当 0.5< a<

30、0.8寸，用GM(1,1)作短期预测应十分谨慎；(4) 当0.8< awl时，应采用残差修正GM(1,1)模型；(5) 当一a>1时，不宜采用GM(1,1)模型。例1设原始序列X(0)=(x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),x(0)(4),x(0)(5) =(2.874,3.278,3.337,3.390,3.679) 试用下列三种GM(1,1)模型对X(0)进行模拟，并比较其模拟精度：1? x(0)(k)+az(1)(k)=b2? x(0)(k)= -a x(k1) (1)3? x(0)(k)=( - ax(1)e(0)(0)-a(k-2)解 1 第一步：对 X?作

31、1 AGO，得X(1)=(x(1)(1),x(1) (2),x(1) (3) ,x(1) (4) ,x(1)(5) =(2.874,6.152,9.489,12.897,16.558) 第二步：对X(0)作准光滑性检验。由p (k)=(k)x(k-1)(1)(0)得 p (3)0.54, p (4)0,6<05)0.29<0.5当k>3时准光滑条件满足。第三步：检验X(1)是否具有准指数规律。由(7 (1)(k)=(k)x(k-1)(1)(1)得 7 (3)1.54, 7 (4)1.362(5) "1(1) 当k>3时，7 (1)(k)E 1,1.5, S =

32、0.5准指数规律满足，故可对 X建立GM(1,1) 模型。(1)(1)第四步：对X(1)作紧邻均值生成。令 (1)(1)z(1)(k)=0.5x(k)+0.5x(k-1)得 Z(1)=(z(1) (2) ,z(1) (3),z(1) (4) ,z(1) (5) )=(4.513,7.820,11.184,14.718)数学建模讲稿灰色系统分析? -(1)(2)? z(1)-(3)于是 B=? z(1)?-？ z(1)? ? -z(5)1? ? -4.513? ? 1? ? -7.820=? 1?-11.184? ? 1? ? ? -14.7181? ? (0)(2)? ? 3.278? ? x

33、(0)? ? ? ? 1?，(3)? ? 3.337? xY=? (0)? =1? ? 3.390? (4)? x(0)? ? ? ? 1? 3.679(5)? ? ? ? ? x?=a,bT进行最小二乘估计。得第五步：对参数列a? -0.03720? TT-1?a=(BB)BY=? ? 3.06536? ?第六步：确定模型dt及时间响应式 d(1)(1)-0.0372x=3.06536?x(1)0.0372kba(k-1)b(0)-82.402151 (k)=(x(1)-)e+=85.276151eaa第七步：求X(1)的模拟值?(1)=(x?(1)(1),x?(1) (2) ,x?(1)

34、(3) ,x?(1)(4),x?(1)(5) X ,6.1060,9.4605,12.9422,16.5558) =(2.8704第八步：还原求出X(0)的模拟值。由?x(0)(k)= a (1)?x(1)(k)=?x(1-x?Xk-1) (1)?(0)=(x?(0)(1),x?(0) (2),x?(0) (3),x?(0),x?(0)(5)=(2.8740,3.2320,3.3545,3.4817,3.6136得 X第九步：检验误差。由表6.2.1可算出残差平方和? & ？ & (3)T? =0.01511 s= ££ = & (2), &

35、 (3)? ?£ <44? ?&?(5)(5?15平均相对误差?=E ?k=1.6025% 4k=2表1误差检验表睜 号实馬敢瞒(Of Xill相时优总 - 1 -X <*>23.2783, 2300.0160L 10*313373. 35150. 01750.13” 3903. 481709172.71%S16793, 61360.0654L78%数学建模讲稿灰色系统分析2? 由 1?知 a=-0.03720,b=3.06536 所以a =-0.03720=0.0379 1+0.5a1+0.5?0.03720) b3.06536=3.1235 1+0.5a

36、1+0.5?Q.03720)(1) (1) B =于是得 x(k)= 恤 x(k1)=3.1235+0.0379x(k-1)。所以 ?(0)=(x?(0)(1),x?(0)(2),x?(0)(3),x?(0)(4),x?(0)(5) X ,3.2324,3.3567,3.4820,3.6105)= (3.2324作误差检验：由表2可得残差平方和056表.2误差检验表序号实际戴獣X田°严幻23.278J.23210. 045631337 0” 019：电3.3MX 4020T+ 0922*71%53*即9X61O5也W5T平均相对误差15?=E ?k=1.6375% 4k=23?由 1

37、?,2?知 a=-0.0372, a =0.0379, B =3,1所以x(0)(k)=( - Bx(1)e(0)a(k-2)=(3.1235+0.0379?2.874)e0.0372(k-2)=3.2324246e0.0372(k-2)故?X(0)=(3.1144,3.2324,3.根料1堆那；歿绘相炜谋琴I A -一2X278'10,015&】3鶉3549,3.4821,3.6141)工35帕-a.43. 18210.曲212.53»j.ei n0.06441. ；M由表3可算出残差平方和s= ££ =0.01509 T15?=E ?k=1.6

38、025% 4k=24?由三种模型的残差平方和与平均相对误差可以看出：指数模型b-a(k-1)b(0)? (1)(k)=(1)-)e+?x?xaa? (0)(1)(1)? ?(k)=x?(k)-x?(k-1)? x和差分模型?x(0)(0)(k)=(-讹(0)(1)ea(k-2)精度较高，?x(k)= - 0x(1)(k1)精度稍低一 些。3.灰色预测步骤：(1)数据的检验与处理首先，为了保证建模方法的可行性，需要对已知数列做必要的检验处理。设参考数列为x(0)计算数列的极比=(x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3), ,x(0)( n) 22-x(0)(t-1)n+1,en+1)入(t

39、)=e(0)x(t)(t=2,3, ,n)2n+1, (0)如果所有的级比入(k都落在可容覆盖据灰色预测否则需要对数列x则使数列y(0)(0)?-2X= en+1,e ?内，则数列x?可以作为 模型GM(1 , 1)进行数y(0)(t)=x(0)(t)+c做必要的变换处理，使其落入可容覆盖 内。即取适当的常数(t=1,2, ,n)，22c,作平移变换=(y(0)(1),y(0)(2), ,y(0)(n)的级比-y(O)(t-1)入(t)= (en+1,en+1)(0)x(t)(t=2,3, ,n)(2) 建立模型GM (1, 1)对通过极比的数列y(0)做一次累加，记作y(1)将=(y(1)(

40、1),y(2)(2), ,y(1)( n)(t=2,3, ,10) y(1)进行均值生成 z(1)(t)=0.5y(1)(t)+0.5y(t-1) 由灰色预测理论，如果存在(BT,B)-1，由最小二乘法则有：?)T=(BT? B)- 1BTY ?=(a?,buN12于是得到预测值数学建模讲稿灰色系统分析b? b? ?(1)(t+1)= y(0)(1)-? e-at+ya? a?并且 y?(0)(t+1)=(3) 检验预测值 计算(t=1,2, ,n-1) ?(1)(t+1)-y?(1)(t)y(t=1,2, ,n-1)，称?(0)(t)y(0)(t)- y & (t)=t=1,2,ny

41、(0)(t)到一般要求，若& (t)<0.1则认为达到较高要求。(4) 计算残差q(t)=残差的均值残差方差1n=Eq(i)ni=1为相对误差，如果& (t)<0.2则可认为达？(0)(t)t=1,2, ,ny(0)(t)-y2S11 n2 =刀(q(-)q) n-1i=1原始数据的均值原始数据方差令 1n(0) x=刀x(i)ni=12S21 n2 =(x(-X) X-1i=1SC=2S1,称为均方差比值；对于给定的c>0,当C<c时，称模型为均方差比合格模型。00称p=pq(k)-q<0.6745S1()为小误差概率，对于给定的 p>0,

42、当p>p时，称模型为小 误差概00率合格模型。件均方辱比值0. 01(L 3510,95二旃0.060,50Q, S0orw0.650. 700.206 900.60GM(1,N)模型 定义5设X1X2(0)(0)(0)(0)(0)=(x1(1),x1 (2), ,x1(n)为系统特征数据序列，而(0)(0)(0)=(x2(1),x2(2), ,x2( n)(0)(0)(0)(0) X3=(x3(1),x3(2), ,x3( n)J J J J J J(0)(0)(0)(0) XN=(xN(1),x N(2), ,xN( n)(1) 为相关因素序列,Xi(1)为Xi(0)的1 AGO序列

43、(i=1,2, ,N), Z1为X(1)的紧邻均值生成序列，则称数学建模讲稿灰色系统分析x(0)1(k)+az(k)= 刀 bixi(1)(k) 9) (1)1i=2N为GM(1,N)模型。定义6在GM(1,N)模型中，一a称为系统发展系数，bixi(1)(k)称为驱动项，bi称 为驱动系数，?=a,b1,b2, ,bNT称为参数列。a定理6设X1(0)为系统特征数据序列，Xi(0) (i=2,3, ,N)为相关因素数据序列，Xi(1)为诸Xi(0)的1 AGO序列，Z1(1)为X1(1)的紧邻均值生成序列，?-(1) (2) ?z1(1)-z1(3)? B=? ? (1)? ? -z1(n)

44、? ? (0)(2)? (2)2N? ? x1? (1)(1)(0)，(3) (3)(3)?x1?2NY=? ? ?(0)?(1)(1)?(n) (n)?x2xN?x1(n)?xx(1)(2) xx(1)?=a,b1,b2, ,bNT的最小二乘估计满足 则参数列a?=(BTB)-1BTY a?=a,b1,b2, ,bNT,贝U称定义 7 设 ad(1)(1)(1)(1)(1)+ax1=b2x2+b3x3+ +bNxN (10) dt为GM(1,N)模型(0)(1) x1(k)+az1(k)=b2x2(k)+b3x3(k)+ +bNxN(k) (1)(1)(1) 的白化方程，也称影子方程。(1)

45、定理 7 设 Xi(0)，Xi(1) (i=1,2, ,N )，Z1，B，Y 如定理 6 所述，?=a,b1,b2, ,bNT=(BTB)-1BTY aNdx1(1)(1)则1白化方程+ax仁刀bixi(1)的解为：dti=2?x(1)(t)=e ?bx(t)edt+x(0)- E? bixi(1)(0)dt (1)i(1)i=2i=2-atNatN=ei-atx(O)-t 刀 bix(O)+?Sixi(1)(t)edt (11) (1)1(1)ii=2i=2NNat2 当 X? ( i=1,2, ,N) 变化幅度很小时，可视 刀bxii=2N(1)i(k)为灰常量，则GM(1,N)模型数学建

46、模讲稿灰色系统分析x(0)1(k)+az(k)= 刀 bix)(1) (1)1i=2N的近似时间响应式为：?x(1)11N1N-ak(1)(k+1)=(x(0)-刀 bixi(k+1)e+刀 bixi(1)(k+1)12) ai=2ai=2(1)1(1)其中 x1(0)取为 x1(0)(1)。3累减还原式为？?1(0)(k+1)= a (1)x?1(1)(k+1)=x?1(1)(k+?1(1)(k) x4? GM(1,N)差分模拟式为：? x(0)1?i(1)(k) (k)=-az(k)+ 刀 bix(1)1i=2N了解内容：邓聚龙教授对 GM(1,1)模型作了十分深入的研究，得到了 GM(1

47、,1)模 型的多种不同形式。主要有：(1) x(0)(k)+ax(1)(k)=b(2) x(0)(k)+az(1)(k)=bdx(1)+ax(1)=b (3) dtbb? (1)?(k+1)=(x(0)(1)-)e-ak+? x (4) ? aa? ?(0)(k+1)=x?(1)(k+1)-x?(1)(k)? x? (5) x(0)(k)= - a x(1)(k1), k=2,3, ,n； B =ba a = 1+0.5a1+0.5a? ?(0)(2)= -aBx(0)(1)x(6) ? (0) (0)?x(k)=(1- a )x(k1);k=3,4 n? ?(0)(2)= -aBx(0)(1

48、)? (7) ? (0) 1-0.5a(0)?x(k)=x(k-1);k=3,4 n? 1+0.5a? ?(0)(2)= -aBx(0)(1)? (8) ? (0) x(1)(k-1)-0.5b(0)?(k)=(1)xx(k-1);k=3,4 n? x(k-2)+0.5b?数学建模讲稿灰色系统分析? 1-0.5a?(0)(k)= (9) x? 1+0.5a? k-2? b-ax(0)(1)? 1+0.5a? ;k=2,3, ,n? (10) x? (11) x(0)(k)=1kIn(1- a )(0) k>3 x(3)e(1-a )3a(k-2)(0)(k)=( - «3x(0

49、)(1)e b-a(k-1)a(k)=(1-e)(x(0)(1)-)e ab-a(k-1)?(0)(k)=(-a)(x(0)(1)-)e (13) x a? (12) x(0)练习1:某大型企业1999年至2004年的产品销售额如下表，试建立 GM(1,1)预 测模型，并预测2005年的产品销售额。年份】99920002001200220032004(亿朮)1673.133.253. 3&3. 563, 72解：设 X(0)(k)=2.67，3.13, 3.25, 3.36, 3.56, 3.72 第1步构造累加生成序列X(1)(k)=2.67，5.80，9.05，12.41，15.9

50、7，19.69第2步构造数据矩阵B和数据向量Yn? 1(1)(1)? -x(1)+x(2) ?2?-1? x(1)(2)+x(1)(3) ?2? 1(1)(1)B=? -? x(3)+x(4)? ?2? 1(1)(1)x(4)+x(5) ?-? 2? 1?(1)(1)-x(5)+x(6)?2? x(0)(2)? ?3.13? (0)? ? 3.25? ? x(3)? ? ? (0)Yn= ? x(4)? =? 3.36? (0)? ? ? 3.56x(5)? ? (0)? ? 3.72? ? ? x(6)? ? ?=? ? =(BTB)-1BTYn 第 3 步 计算 a? b? ? 1? ?

51、1? ? -4.235? ? -7.425? ? 1? =? -10.73? ? -14.191? ?-17.83? 1? 1? 1? 1?，? 1? 1?a?数学建模讲稿灰色系统分析? 707.46375-54.41? BB=? ? -54.415? ?T? 0.0086670.094319 (BTB)-1 = ? 0.0943191.226382? -0.043879? T- 1T? a =(BB)BYn=? 2.925663? ?第4步得出预测模型dx(1)-0.043879x(1)=2.925663 dt?(1)(k+1)=69.3457e0.043879k66.6757 x(x(0)

52、(1)=2.67; b= 66.6757) a第5步残差检验?(1)(k)，得(1)根据预测公式，计算X?(1)(k)= 2.67, 5.78, 9.03, 12.43, 15.97, 19.68, 19.69 (k=0,1, , ,6) X ?(0)(k)序列，k=1,2, , ,6累减生成X?(0)(k)= 2.67, 3.11, 3.25, 3.40, 3.54, 3.71 X原始序列：X(0)(k) = 2.67, 3.13, 3.25, 3.36, 3.56, 3.72(3) 计算绝对残差和相对残差序列绝对残差序列：？(0)= 0, 0.02, 0, 0.04, 0.02, 0.01

53、相对残差序列：©= 0, 0.64%, 0, 1.19%, 0.56%, 0.27%相对残差不超过1.19%，模型精确度高。第6步进行关联度检验(1) 计算序列x(0)?与x(0)的绝对残差序列？(0)(k)?(0) = 0,0.02,0,0.04,0.02,0.01mi n?max?(0)(k) = min 0,0.02,0,0.04,0.02,0.01 = 0 (0)(k) = max0,0.02,0,0.04,0.02,0.01 = 0.04(2) 计算关联系数由于只有两个序列(即一个参考序列，一个被比较序列)故不再寻求第二级最小 差和最大差。17数学建模讲稿灰色系统分析min

54、?(k)+Pmax?(k) n (k)=?(k)+Pmax?(k)(k=1,.,6,P=0.5)求得 n (併1,0.5, 1,0.33, 0.5, 0.67(3) 计算关联度1nri=n En i(k)0.67k=1r=0.67是满足P=0.5时的检验准则r>0.6的。第7步后验差检验(1)计算：(0)=162.67+3.13+3.25+3.36+3.56+3.72=3.28计算X(0)序列的均方差：(0)Sx(k)-(0)21/21=(n-1)=0.3671(3) 计算残差的均值：=16?(k)=0.015(4) 计算残差的均方差：2S2=(刀?(k-n-1)1/2=0.0152计算C: C=S1S=0.0152/0.3671=0.04142计算小残差概率：S0=0.6745? 0.3671=0.2746ek=?(k) -=0.15,0.005,0.015,0.025,0.005,0.005所有ei都小于S0,故小残差概率Pei<S0=1，而同时C=0.0414<0.35,x(1)(k+1)=6