不確定性決策是決策者在主客觀雙重不確定性因素的制約下對復雜問題所進行的決策.不確定性決策理論屬于自然科學和社會科學交叉的學科領域。
《不確定性決策的量子理論和算法》系統(tǒng)地闡述了不確定性定量表示方法、不確定性決策的原理和方法、量子理論的思想和方法,以及作者所提出的不確定性決策的量子理論、量子遺傳編程算法、不確定性決策量子理論的進化算法及其應用。
《不確定性決策的量子理論和算法》對不確定性決策理論的發(fā)展做出了貢獻,具有廣泛的應用前景。
無論是在日常的經濟活動和社會生活中,還是在科學和工程技術實踐中,人們都面臨著大量簡單或復雜的不確定性決策問題。不確定性決策的核心內涵是決策者在客觀環(huán)境和主觀認知過程中雙重不確定性條件下,決定達到決策目標的策略。不確定性決策理論是在歸納大量決策實踐的基礎上,對不確定性決策過程所遵循的基本規(guī)律的認識,并構建出客觀可靠和有效的算法。不確定性決策理論的作用是解釋過去,闡明現(xiàn)在和預測未來,目前,不確定性決策過程是否存在著普適性的基本規(guī)律和算法,依然是一個懸而未決的問題。構建普適性的不確定性決策理論,面臨著許多難題,其中,需要解決的重要科學問題如下:
(1)確定性和不確定性是同一個現(xiàn)實世界的不同層面,都是客觀存在的:無論是自然界還是人類社會的秩序和有效運轉,都依賴于各種具體事物和關系的確定性存在,這是確定性價值所在,確定性是在一定條件下才呈現(xiàn)出來的,具有相對性。不確定性是客觀世界的基本屬性,具有絕對性,不確定性不斷突破現(xiàn)有的確定性事物和關系,產生出新的確定性事物和關系,它是客觀世界得以不斷發(fā)展和進化的驅動力,可以說,沒有不確定性的作用,無論是自然界還是人類社會都會失去生命力。因此,在構建不確定性決策理論時,必須全面分析和表達不確定性和確定性的相互關系,以及不確定性對確定性事物和關系突破所起到的消極作用和積極作用,如此,才能充分反映不確定性對決策過程的作用。
。2)在不確定性決策問題中,決策者和客觀環(huán)境是一個統(tǒng)一的整體,它們在主客觀雙重不確定性條件下,共同決定了決策結果。只有構建出客觀環(huán)境的狀態(tài)空間與決策者的策略空間的統(tǒng)一的表達形式,才能夠構建出統(tǒng)一表達狀態(tài)空間和策略空間到決策結果的映射關系,即構建出不確定性決策問題的效用函數(shù)的形式化表示方法,從而有利于客觀環(huán)境和決策者認知過程相統(tǒng)一的完整的不確定性決策理論的形成和發(fā)展。
(3)不確定性決策理論屬于自然科學和社會科學交叉的學科領域。自然科學理論是以原子、分子等無生命個體及其集合作為研究對象的,這些個體之間的相互關系可以用各種作用力來描述。它們與客觀環(huán)境之間的關系,通常用邊界條件和初始條件來描述。它們在個體與客觀環(huán)境之間雙重作用力的驅動下進行演化,其演化的動力學規(guī)律可表達為“微分方程+邊界條件(及初始條件)”的數(shù)學形式。對于絕大多數(shù)自然科學技術問題,都可以通過求解其動力學方程而獲得結果。社會科學理論是以人及其群體,或者說以智能個體以及群體,作為研究對象的,社會科學理論相對于自然科學理論而言,呈現(xiàn)出若干更加復雜而難以解決的科學問題,其中包括:智能個體之間的相互關系,不再可能用作用力來描述,而是由信息相互關聯(lián)在一起;智能個體與客觀環(huán)境之間的關系,不再可能用邊界條件來描述,而是屬于適應性關系;對于不確定性決策問題,由于它們是在主客觀雙重不確定性條件下,在決策者之間以及決策者與客觀環(huán)境之間雙重驅動下所進行的動態(tài)演化,不再可能表達為“微分方程+邊界條件”的動力學數(shù)學形式,而只能表達為結構化和層次化的計算程序的算法,利用這種算法可以獲得不確定性決策問題的決策結果。顯然,構建的不確定性決策理論的普適化程度與這些科學問題的解決程度密切相關。
。4)目前,科學研究的方法從理論、實驗、計算發(fā)展到大數(shù)據時代,數(shù)據是對研究對象的真實性質中可觀測到結果的呈現(xiàn)。由于技術的進步,數(shù)據收集、儲存、處理的能力有了很大的提升,科學研究已經能夠進行真實而非仿真的大數(shù)據的全域搜索。這意味著人類已經具有了貼近描述現(xiàn)實世界的能力,已經能夠對事物進行“足夠意義”上的客觀描述,通過模式識別、擬合數(shù)據結果等技術,可以挖掘出大數(shù)據中所包含著的客觀規(guī)律。這已經成為當今時代發(fā)現(xiàn)科學規(guī)律的最可靠和最有效的方法。同時,研究方法從理論、實驗、計算到大數(shù)據時代的發(fā)展,也表明科學研究的方法更加普適化。因此,結合不確定性決策問題,發(fā)展出相應的大數(shù)據技術,更加有利于提高不確定性決策理論的客觀性、可靠性和算法的普適性。
大量歷史事實表明:構建和發(fā)展不確定性決策理論的歷程,就是人們不斷從自然科學特別是物理學中引入新的科學思想和方法,創(chuàng)造性地解決上述難題或科學問題的過程,到目前為止,已形成或正在形成過程中的不確定性決策理論包含有不確定性決策的經典理論、統(tǒng)計理論、復雜性理論和量子理論等。這些不確定性決策理論,都從不同的側面對解決構建和發(fā)展不確定性決策理論的上述科學技術問題,作出了不同程度的貢獻。我們在總結前人工作的基礎上,利用量子理論思想和方法、遺傳編程進化算法、機器學習和大數(shù)據技術等相結合的方法,所構建的“不確定性決策的量子理論和算法”,對于全面解決上述科學技術問題,探索了一條新的途徑。
本書系統(tǒng)地闡述了不確定性的定量表示方法、不確定性決策的原理和方法、量子理論的思想和方法,以及作者所提出的不確定性決策的量子理論、量子遺傳編程算法、不確定性決策量子理論的進化算法及其應用,對不確定性決策理論的發(fā)展作出了貢獻,具有廣泛的應用前景。
本書前三章屬于基礎知識部分,后三章屬于作者研究成果部分,在此對研究工作中參考的相關文獻的作者表示感謝。同時,對本書被納入“量子科學出版工程”,以及中國科學技術大學出版社為出版本書所付出的工作和大力支持表示感謝。
不確定性決策問題,涉及許多學科領域,由于作者知識有限,本書內容若有不足之處,敬請指正。
辛厚文,中國科學技術大學化學物理系教授,中國科學技術大學原常務副校長。長期從事量子化學和非線性科學領域的研究工作,取得了一系列重要研究成果,為我國“非線性化學”研究開拓者。出版《非線性化學》《分形介值反應動力學》《分子拓撲學》等著作,發(fā)表學術論文100余篇。近年來一直熱衷決策量子理論與算法的研究。
前言
第1章
不確定性定量表示方法
1.1 引言
1.2 隨機不確定性
1.2.1 隨機性的本質
1.2.2 隨機事件的概率
1.2.3 隨機變量的概率分布
1.2.4 隨機變量的期望值和方差
1.2.5 多維隨機變量的概率分布
1.3 模糊不確定性
1.3.1 模糊性的本質
1.3.2 模糊集及其隸屬函數(shù)
1.3.3 模糊集的運算法則
1.3.4 模糊數(shù)及其運算
1.3.5 模糊變量及其可信性分布
1.3.6 模糊變量的期望值
1.3.7 多維模糊變量的聯(lián)合可信性分布
1.4 非完備信息不確定性
1.4.1 非完備性的本質
1.4.2 信息熵
1.4.3 粗糙集的基本性質
1.4.4 粗糙變量及其信賴性
1.5 小結
第2章
不確定性決策的原理和方法
2.1 引言
2.2 不確定性決策的基本原理
2.2.1 不確定性決策的組成要素
2.2.2 不確定性決策問題的表示方法
2.2.3 不確定性決策過程
2.3 隨機不確定性決策問題
2.3.1 嚴格隨機不確定性決策問題
2.3.2 風險隨機不確定性決策問題
2.4 模糊不確定性決策問題
2.4.1 模糊不確定性決策問題的表示方法
2.4.2 模糊不確定性決策問題的分析方法
2.5 不完備信息決策問題
2.5.1 決策信息表的約簡分析方法
2.5.2 不完備信息決策問題的最優(yōu)選擇方法
2.6 小結
第3章
量子理論的思想和方法
3.1 引言
3.2 量子理論的基本思想和方法
3.2.1 量子狀態(tài)的波函數(shù)表示
3.2.2 量子系統(tǒng)可觀測量的量子算符表示
3.2.3 量子系統(tǒng)的演化規(guī)律
3.2.4 量子測量系統(tǒng)的演化規(guī)律
3.3 量子理論的矩陣表示方式
3.3.1 希爾伯特空間的性質
3.3.2 波函數(shù)的矩陣表示
3.3.3 量子算符的矩陣表示
3.3.4 量子算符本征方程的矩陣表示
3.3.5 量子算符平均值的矩陣表示
3.3.6 厄米算符的矩陣表示:厄米矩陣
3.3.7 薛定諤方程的矩陣表示
3.3.8 酉算符變換的矩陣表示:酉矩陣
3.4 量子理論的密度算符方法
3.4.1 純態(tài)的密度算符
3.4.2 混合態(tài)的密度算符
3.4.3 密度算符的運動方程
3.4.4 量子測量系統(tǒng)的密度算符
3.4.5 復合量子系統(tǒng)的約化密度算符
3.5 量子信息的基本概念和方法
3.5.1 量子比特
3.5.2 量子門
3. 5.3 量子線路
3.5.4 量子信息熵
3.6 小結
第4章
不確定性決策的量子理論
4.1 引言
4.2 不確定性決策問題的量子態(tài)表示
4.2.1 不確定性決策問題量子態(tài)表示的具體方法
4.2.2 不確定性決策問題量子態(tài)表示的意義和作用
4.3 不確定性決策問題的量子價值算符
4.3.1 不確定性決策問題量子價值算符構造方法
4.3.2 不確定性決策問題量子價值算符的意義和作用
4.4 不確定性決策問題的量子決策樹
4.4.1 量子決策樹的構造方法
4.4.2 量子決策樹的基本性質
4.4.3 量子決策樹的作用
4.5 小結
第5章
量子遺傳編程算法
5.1 引言
5.2 量子編碼表示方法
5.2.1 量子遺傳算法的不確定性編碼方法
5.2.2 量子遺傳編程算法的編碼方法
5.3 量子適應性度量方法
5.3.1 不確定性決策問題的量子適應性度量方法
5.3.2 量子適應函數(shù)表達式的物理意義
5.4 量子遺傳算子
5.4.1 量子選擇算子
5.4.2 量子交叉算子
5.4.3 量子變異算子
5.5 量子遺傳編程算法的控制參數(shù)
5.6 量子基因表達式編程算法
5.6.1 量子基因編碼方法
5.6.2 量子多基因編碼方法
5.6.3 量子基因表達式編程算法的特點
5.7 小結
第6章
不確定性決策量子理論的進化算法及其應用
6.1 引言
6.2 量子決策理論的進化算法
6.2.1 觀測值函數(shù)樹(xFT)
6.2.2 狀態(tài)決策樹(qDT)
6.3 不確定性決策量子理論的應用
6.3.1 量子金融一一機器交易員
6.3.2 科學發(fā)現(xiàn)一一機器科學家
6.3.3 關于科學發(fā)現(xiàn)的討論
結語
參考文獻