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头上有多少头发才算秃头?

数学是一门严密的科学,数学中的每一个概念都需要有一个明确定义,非此即彼,不能含糊。但是,在生活中,有不少概念却未必可以给出一个明确定义

举例来说,我们能否给“秃头”下个定义呢?也许,你可以说,这还不容易:头发很少,少到一定程度就是秃头了。但是“头发很少,少到一定程度”这样的表述是一种模糊的描述,到底多少算很少呢?这个一定程度是什么程度呢?模糊的描述会导致对象的不确定,对于数学家来说,这样定义是无法接受的。我们需要对“头发少到一定程度”给出明确的界限。由于头发的多少是由头发的根数确定的,我们似乎可以用头发根数来明确界定这个界限。比如,我们规定:头发少于100根是秃头。这样定义秃头确实是很明确了,数学家也许会认可,但是这样定义必然会引来争议:有100根头发算秃头,有101根头发就不算秃头?这显然有违人们日常积累的常识。这样定义明确的,却是不合理的。在人们的观念中,多一根、少一根头发不会影响一个人秃头与否,比秃头多一根头发的人还会被认为是秃头。既然如此,我们可以将秃头的定义修改为:头发少于100根是秃头,只比秃头多1根头发也是秃头。这样看上去比较合理了。然而,这样定义意味着头发根数n≤100是秃头,如果有n根头发是秃头,则有n+1根头发也是秃头。由数学归纳法可知,有任意n根头发都是秃头。这就得到了每个人都是秃头的奇谈怪论。由此看来,要给秃头下一个明确定义似乎是一件难以完成的事。

事实上,秃头这个概念本身是一个模糊概念如果把秃头的人看作一个集合的话,这个集合的外延是不清晰的。从秃头到非秃头是一个渐变的过程,中间没有明确的分界线。因此,非要用头发根数在秃头和非秃头之间划一条分界线,给出一个非此即彼的定义,是不可行的。

在实际生活中,像秃头这样界限不分明的、模糊概念比比皆是。比如天气的冷与热,晾晒衣服的干与湿,烹煮食品的生与熟,企业效益的好与坏,等等。尽管这些概念并不明确,但在实际生活中似乎并没有带来什么麻烦。看来,人类的大脑是具有判断这种模糊概念的能力的。但是,要让机器,比如计算机,来自动识别类似的模糊信息却产生了很大的问题。尽管计算机记忆能力超强,计算神速,但面对外延不分明的模糊对象却一筹莫展。要想让机器也能具备人脑一样处理模糊信息的能力,需要将人们常用的模糊语言设计成相应的机器指令,这就需要一种能够描述和加工界限不分明、模糊问题的数学工具,于是一个新的数学分支——模糊数学应运而生。1965年,美国控制论专家扎德发表了题为《模糊集合论》的论文,标志着模糊数学的诞生。

在传统模糊数学中是如何判断秃头的呢?一种方法是引入一个量——隶属度。它对应于[0,1]中的一个数。以秃头为例,假设人的头发少于100根为标准的秃头,那么将头发少于100根的隶属度设为1,如果有101根头发,可设其隶属度为0.999999或更大,102根头发的隶属度为0.999998。这样,隶属度越接近1,越倾向于认为是秃头;越接近于0,则越倾向于认为非秃头;如果在0.5附近,则就是半秃了。

如今,以模糊集合论为基础的模糊数学已经形成了一个数学体系。尽管创建时间还很短,还在完善之中,但它已经在模式识别、人工智能等方面发挥了重要作用。在日常生活中,我们也时常能看到它的身影。如果你在如洗衣机、电饭煲等家用电器上看到了有F字样的标志,就说明这台机器具有模糊控制功能,在它的设计制造中用到了模糊控制技术。