Лекция №8. Теоретико-множественное описание систем Вводятся основные понятия теории систем на теоретико-множественном уровне и устанавливаются взаимосвязи между ними.




Лекция №8. Теоретико-множественное описание систем
Вводятся основные понятия теории систем на теоретико-множественном уровне и устанавливаются взаимосвязи между ними. Система определяется прежде всего как некоторое от­ношение на абстрактных множествах, а затем дается оцени­вание временных и динамических систем как систем на множе­ствах абстрактных функций времени. Для того чтобы иметь возможность определять системы различных типов более кон­кретно, вводятся вспомогательные функции и объекты, такие, как состояние, глобальное состояние, глобальная реакция си­стемы.
^ Предположения о характере функционирования систем
Желая получить математическую модель процесса функционирования системы, чтобы она охватывала широкий класс реаль­ных объектов, в общей теории систем исходят из общих пред­положений о характере функционирования системы:

1) система функционирует во времени; в каждый момент вре­мени система может находиться в одном из возможных состоя­ний;

2) на вход системы могут поступать входные сигналы;

3) система способна выдавать выходные сигналы;

4) состояние системы в данный момент времени определяется предыдущими состояниями и входными сигналами, поступивши­ми в данный момент времени и ранее;

5) выходной сигнал в данный момент времени определяется состояниями системы и входными сигналами, относящимися к данному и предшествующим моментам времени.

Первое из перечисленных предположений отражает динами­чен кий характер процесса функционирования в пространстве и времени. При этом процесс функционирования протекает как последовательная смена состояний системы под действием внешних, и внутренних причин.

Второе и третье предположения отражают взаимодействие системы с внешней средой.

В четвертом и пятом предположениях отражается реакция системы на внутренние факторы и воздействия внешней среды:

последействие и принцип физической реализуемости. Многим явлениям и процессам свойственно последействие, вследствие которого тенденции, определяющие поведение системы в буду­щем, зависят не только от того, в каком состоянии находится система в настоящий момент времени, но в той или иной степени от ее поведения в предыдущие моменты времени (например, усвоение студентом сложных дисциплин — теории систем, те­ории построения АСУ, исследования операций, теории массового обслуживания и др. — зависит от степени усвоения курса теории вероятностей и математической статистики, а еще дальше — от знания курса высшей математики).

Принцип физической реализуемости заключается в следу­ющем: система не реагирует в данный момент времени на «буду­щие» факторы и воздействия внешней среды.
^ Система, как отношение на абстрактных множествах



Одним из центральных понятий теории систем является поня­тие системы, определенное в теоретико-множественных терминах:

где ^ V, — вес компоненты; iÎI — декартова произведения ÄVi , называемые объектами системы S; I — множество индексов. В кибернетике наибольший интерес представляют системы с дву­мя объектами — входным объектом X и выходным объектом Y:




Основными причинами определения системы как теоретико-множественного отношения являются следующие:

1. Система определяется в терминах ее наблюдаемых свойств или, точнее говоря, в терминах взаимосвязей между этими свой­ствами, а не тем, что они на самом деле собой представляют (т. е. не с помощью физических, химических, биологических, социа­льных или других явлений). Это вполне согласуется с природой системных исследований, направленных на выяснение организа­ции и взаимосвязи элементов системы, а не на изучение конкрет­ных механизмов в системе.

2. Определение системы как отношения вида (3.1) является предельно общим. Конечно, различным системам отвечают и различные способы задания описания (дифференциальные урав­нения, булева алгебра, графы и т. д.), но все они есть не более чем отношения вида (3.1). В условиях предельно нечеткой инфор­мации, когда систему удается описать лишь качественно, все словесные утверждения в силу их лингвистических функций определяют отношения типа (3.1). Действительно, каждое высказыва­ние содержит две основные лингвистические категории: термы (денотаты) и функторы. Напомним, что термы используются для обозначения объектов, а функторы — для обозначения отноше­ния между ними. И для каждого правильного множества словес­ных утверждений существует отношение (в математическом смы­сле слова), описывающее формальную взаимосвязь между объектами. Таким образом, система всегда является отношением в смысле (3.1), а уже более узкие классы систем определяются более точно своими специфическими средствами.

3. Системы часто задаются с помощью некоторых уравнений относительно соответствующих переменных. Каждой такой пере­менной можно поставить в соответствие некоторый объект систе­мы, описывающей область значений соответствующей перемен­ной. Утверждая, что система описывается системой уравнений относительно некоторого множества переменных, в сущности считают, что система есть отношение над соответствующими объектами, порожденными этими переменными (по одному объекту на каждую переменную, область значений которой он представляет). При этом любая комбинация элементов этих объектов, принадлежащая этому отношению, удовлетворяет ис­ходной системе уравнений.

Под отношением понимается подмножество конечной декар­товой степени Аn = А ´ А ´ ... ´A данного множества А, т. е. под­множество систем (a1, a2, ..., an) из n элементов множества А.

Подмножество RÌ.Аn называется n-местным или n-арным от­ношением в множестве А. Число n называется рангом или типом отношения R. Множество всех n-арных отношений в множестве А относительно операций È и Ç является булевой алгеброй.

Для построения теории систем на теоретико-множественном уровне, исходя из определения (3.1), необходимо наделить систе­му как отношение некоторой дополнительной структурой. Это можно сделать двумя способами:

ввести дополнительную структуру для элементов объектов системы; например, рассматривать сам элемент vi,Î Vi как некото­рое множество с подходящей структурой;

ввести структуру непосредственно для самих объектов систе­мы Vi, iÎI.

Первый способ приводит к понятию (абстрактных) временных систем, а второй — к понятию алгебраических систем.
^ Временные, алгебраические и функциональные системы
Временные системы. Если элементы одного из объектов систе­мы есть функции, например v: Тv®Av то этот объект называют функциональным. В случае, когда области определения всех функ­ций для данного объекта V одинаковы, т. е. каждая функция vÎV является отображением Т в A, v : Т®А, то Т называется индек­сирующим множеством для v, a A — алфавитом объекта Т. Если индексирующее множество линейно упорядочено, то его называ­ют множеством моментов времени. Функции, определенные на множествах моментов времени, принято называть (абстрактны­ми) функциями времени. Объект, элементами которого являются временные функции, называют временным объектом, а системы, определенные на временных объектах, — временными системами.

Особый интерес для исследования представляют системы, у которых элементы и входного и выходного объектов определе­ны на одном и том же множестве: ХÌАT и YÌBT. В этом случае под системой понимается отношение




^ Алгебраические системы. Другой путь наделения объектов системы математическими структурами состоит в определении одной или нескольких операций, относительно которых V стано­вится алгеброй. В самом простейшем случае определяется бинар­ная операция R : V*V®V и предполагается, что в V можно выделить такое подмножество W, зачастую конечное, что любой элемент vÎ V можно получить в результате применения операции R к элементам из W или к элементам, уже построенным из элементов множества Неподобным образом. В этом случае W на­зывают множеством производящих элементов или алфавитом объекта, а его элементы — символами, а элементы объекта V — словами. Если R есть операция сочленения, то слова — это просто последовательности элементов алфавита W.

Необходимо иметь в виду, что алфавит временного объекта — это не совсем то же самое, что алфавит алгебраичес­кого объекта. Для объектов с конечными алфавитами — это обычно одни и те же множества. Но как только алфавит стано­вится бесконечным, возникают трудности: множество производя­щих элементов и область функций времени оказываются различ­ными множествами, в общем случае даже разной мощности.

Итак, системой называется отношение на непустых (абстракт­ных) множествах:

SÌx{Vi, iÎI}.

Если множество индексов / конечно, то выражение (3.1) мож­но переписать в виде

SÌV1*V2*…*Vn. (3.2)




Пусть IxÌ I и IyÌ I образуют разбиение множества I, т. е. пусть IxÇIy =Æ и IxÈIy =I .

Множество Х= Ä{Vi. iÎIx,} называется входным объектом, а множество Y=Ä{Vi,iÎIy} - выходным объектом системы. Тогда система S определяется отношением

S Ì X* У (3.3)

и называется системой «вход — выход» («черный ящик»).

Если S является функцией

S : X®Y. (3.4)

то система называется функциональной.
^ Временные системы в терминах «ВХОД — ВЫХОД»
Множество моментов времени. Первая часть первого пред­положения о характере функционирования систем гласит: систе­ма функционирует во времени. Множество моментов времени t, в которые рассматривается функционирование системы, обозна­чим Т, t ÎТ. Множество T будем считать подмножеством множе­ства действительных чисел. В частности, оно может быть конеч­ным или счетным. В зависимости от характера множества Т раз­личают: дискретное, непрерывное и дискретно-непрерывное вре­мя. На практике часто представляют интерес только такие мно­жества Т, элементы которых располагаются в изолированных точках числовой оси. В этом случае говорят, что система функци­онирует в дискретном времени, например контактные схемы, конечные автоматы, вычислительные устройства ЭВМ и т. д. Вместо моментов времени t0, tl , ... часто пишут ряд натуральных чисел 0, 1,2, ..., которые называются тактами.

Множество Т представляет собой множество некоторого (ко­нечного или бесконечного) интервала числовой оси. В этом слу­чае говорят, что система функционирует в непрерывном времени, например механические и электрические системы, системы, рас­сматриваемые в теории автоматического регулирования, и т. д.

Не исключены случаи, когда множество Т имеет дискретно-непрерывный характер: на одних, интервалах числовой прямой моменты t Î Т заполняют их целиком, а на других — располага­ются в изолированных точках. Например: 1) метеорологическая ракета при нахождении в состоянии готовности функционирует в непрерывном времени, а при запуске (при работе автомата пуска) можно условно считать, что работает в дискретном време­ни (реле времени работает дискретно в смысле выдачи команд исполнительным органом по тактам); 2) процесс производства автомобилей на конвейере; конвейер движется непрерывно, а го­товые автомобили сходят с него в дискретные моменты времени.

Входные сигналы системы. Второе и третье предположения о характере функционирования систем направлены на описание взаимодействия системы с внешней средой. На вход системы могут поступать входные сигналы хÎХ, где X — множество входных сигналов системы. Входной сигнал, поступивший в мо­мент времени te Т, обозначается x(t).

Возвратимся к примеру с выпуском предприятием однотип­ных изделий (часто их называют одно-продуктовое производст­во). В такой системе готовность в момент t, i-ro изделия (автомо­биля, часов, велосипеда, телевизора и т. д.) можно описать как поступление очередного сигнала x(t1) = 1. Здесь множество X сос­тоит из одного элемента х=1. Если принять за Х=0 сигнал, когда очередное изделие не готово, а за Х=1, когда оно готово, то можно считать, что Х={0, 1}, и в систему входной сигнал поступает в каждый момент tÎТ. В случае, когда в моменты t1 оказываются готовыми одновременно несколько изделий (на за­воде несколько конвейерных линий), например 0£ x£xmax, то множество X — совокупность целых чисел Х={О,1, ..., Хmax}.

Входные сигналы могут описываться некоторым набором ха­рактеристик. Например, если входными сигналами АСУ аэро­дромом считать самолеты, поступившие в зону аэродрома, то каждый из них может быть описан: 1) координатами точки взлета (I, a, e) (I-наклонная дальность, а - азимут и e - угол места); 2) вектором скорости (I, а, e); 3) признаками, характеризующими тип самолета (V), массу груза (G), требованиями к аэродромному обслуживанию (d) и т. д.

В общем случае будем предполагать, что входной сигнал X1ÎXi, где X, — заданные множества (i= 1, n).

Прямое произведение X=X1´X2´.... ´.Хn называется прост­ранством входных сигналов. Xi - элементарные оси, входной сигнал х представляет собой точку пространства X, описываемую координатами x1, x2, ..., хn. В общем случае ХÌХ.

При исследовании сложных систем приходится оперировать с группами входных сигналов, поступающих в моменты времени tl
Рассмотрим отображение x=L(t), сопоставляющее каждому tÎТ некоторый сигнал хÎX (отображение ¦: Т®Х). Обозначим через TL множество моментов времени TL Ì Т, такое, что для любого t'Î TL справедливо L(t1)¹xÆ. Отображение x=L(t) бу­дем называть входным процессом систем, а совокупность упоря­доченных пар (t', х) для всех t'Î TL (где x=L(t')) — входным сообщением.

Чтобы задать конкретный входной процесс x = L(t), достаточ­но указать соответствующее ему входное сообщение (t, xl)t.

Интервал времени t1
Введем понятие «сужение отображения». Пусть множество X имеет область определения отображения y=f(x). Отображение y=g(x) c областью определения X* является сужением отображе­ния f(x) на множество X* в том и только в том случае, когда X*ÌX и g (x) =f(x) для каждого хÎХ*.

Сужение отображения x = L(t) на множество TÇ(t1,t2] будем называть фрагментом входного процесса, соответствующим по­луинтервалу (t1,t2], а совокупность упорядоченных пар (t ', х) для всех t' ÎTLÇ(t1,t2), где x=L(t') — отрывком входного сообще­ния, поступающим в систему за полуинтервал (t1,t2] и обозна­чать (t1,xL]t1t2

Для конечного множества TLÇ(t1,t2], например t1,t2,…,tk, входное сообщение имеет вид

(t1, х1; t2, х2; ...; tk, xk).

Множество всевозможных входных сообщений обозначим {(t, xL)T}. Оно определяется множеством входных процессов вида x=L(t), допускаемых условиями функционирования системы. К множеству {(t, xL)T} будем причислять и пустое входное сообще­ние (t, xL)T = Æ, для которого TL = 0.

Кроме того, множество {(t, xL)T} должно удовлетворять еще одному требованию, связанному с сочленением входных сообще­ний. Пусть (t, xL1)T и (t, xL2)T сообщения из множества {(t, xL)T}. Пусть, далее, t,






можно рассматривать как отрывок (t, xl]t1t3, некоторого сообщения (t, xl-)t, образовавшийся в результате сочленения отрывков (t,XL1]t3 и (t, xL2]t3t2. Сочленение любого числа отрывков входных сооб­щений из множества {(t, xl)t] представляет собой отрывок неко­торого входного сообщения, принадлежащего этому множеству.

Выходные сигналы системы. Система способна выдавать вы­ходные сигналы yÎY, где Y — множество выходных сигналов системы. Выходной сигнал, выдаваемый системой в момент вре­мени tÎТ, обозначается y(i).

Если выходной сигнал у описывается набором характеристик y1, y2, . . . ym, таких, что уÎYj, j=l, m, Yj — заданные множества, то прямое произведение

Y=Y1´ Y2´ . . . ´ Ym

называется пространством выходных сигналов системы. По ана­логии с входным процессом введем понятие выходного процесса y=N(t), а также определим выходное сообщение (t, yN)T и его отрывок (t, yN]t1t2 на полуинтервале (t1, t2].

На этом можно считать исчерпанной формальную интерпре­тацию второго и третьего предположений о характере функци­онирования систем.

Глобальное состояние и глобальная реакция системы. Пусть для системы S множество ее состояний Z, а функция R: (X ´ Z) ® Y такова, что

(x, y) Î S Þ($z)[R(x,y)=y.

Тогда Z называют множеством или объектом глобальных состояний системы, а элементы множества z Î Z — глобальными состояниями системы. Функция R называется глобальной реакци­ей системы S. При этом ни на Z, ни на R не налагается никаких дополнительных условий. В случаях, когда глобальную реакцию системы нельзя определить на всем произведении X х Z, то R ока­зывается частичной функцией. Таким образом, R можно назы­вать глобальной реакцией системы только тогда, когда она не является частичной функцией. В противном случае ее называют частичной глобальной реакцией.

Абстрактные линейные системы. Хотя многие понятия теории систем можно определить, опираясь исключительно на понятие общей системы (3.1), получение содержательных математических результатов становится возможным только после введения до­полнительных структур. Таким дополнительным понятием явля­ется понятие линейности систем.

Пусть А — некоторое поле, X и Y — линейные алгебры над А, S — отношение, SÌX´Y, причем S непусто. Пусть также

s Î S и s’Î S Þ s + s’ Î S

s Î S и a Î A Þ ax Î S

где «+» обозначает (внутреннюю) операцию сложения в X´Y, а через аx, обозначен результат (внешней) операции умножения на скаляр. Тогда S называется (абстрактной) полной линейной системой.

В соответствии с современной терминологией алгеброй называют множество вместе с некоторыми конечными операциями, а линейной алгеброй, в частное внутренней и одной внешней операциями, удовлетворяющими аксиомам векторного пространства. Операция «+» и умножения на скаляр определяются на X´Y естественным образом:

(x1,y1)+(x2,y2)=(x1+x2, y1+y2)

a(x,y)= (ax,ay)Ì X´Y, aÎA.


В теории линейных систем фундаментальную роль играет следующая теорема.

Пусть X и У — линейные алгебры над одним и тем же полем А. Система S ÌX´Y является линейной в том и случае, когда найдется такая глобальная реакция R : X´Я®Y, что

  1. Z есть линейная алгебра над А;

  2. существует пара таких линейных отображений

R1: Z®Y и R2: X ®Y,

что для всех (x,y) Î X´Y

R(x,z) = R1(x)+R2(z)

Отображение R называют линейной глобальной реакцией системы тогда, и только тогда, когда

  1. R согласуется с S, т.е.

(x, y) Î S Þ($z)[R(x,y)=y.

  1. Z является линейной алгеброй над полем А скаляров линейных алгебр X и У.

Существуют два таких линейных отображений R1: Z®Y и R2: X ®Y, что для любых (x,y) Î X´Y

R(x, z) = R1(x)+R2(z)

В этом случае Z называют линейным объектом глобальных состояний системы, отображение R1 : Z ® У — глобальной реак­цией на состояние, a R2 : X ® Y — глобальной реакцией на вход.

Оглавление

Лекция №8. Теоретико-множественное описание систем 1

Предположения о характере функционирования систем 1

Система, как отношение на абстрактных множествах 2

Временные, алгебраические и функциональные системы 3

Временные системы в терминах «ВХОД — ВЫХОД» 4





А.В.Красов. Теория информационных процессов и систем.

Лекция №8. Теоретико-множественное описание систем.

4074962215629845.html
4075054122458125.html
4075135702869348.html
4075246722004076.html
4075332808951484.html