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  • 层次分析法的改进方法
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    2019-07-04 09:00:43

    一、层次分析法的缺点

    1. 和一般的评价过程, 特别是模糊综合评价相比, AHP客观性提高, 但当因素多 (超过9个) 时, 标度工作量太大, 宜引起标度专家反感和判断混乱.

    2. 对标度可能取负值的情况考虑不够.标度确实需要负数, 因为有些措施的实施, 会对某些特定目标造成危害, 如实现机械化, 就对解决就业不利.虽然有关于-1~1标度的讨论, 但对于这种标度下权重计算问题讨论不足

    3. 对判断矩阵的一致性讨论得较多, 而对判断矩阵的合理性考虑得不够, 这是因为对标度专家的数量和质量重视不够

    4. 没有充分利用已有定量信息.AHP都是研究专门的定性指标评价问题, 对于既有定性指标也有定量指标的问题 (这种问题更普遍) 讨论得不够.事实上, 为使评价客观, 评价过程中应尽量使用定量指标, 实在没有定量指标再用定性判断

    5)判断矩阵中的各个标度的赋值有很大的随意性, 同时, 这种赋值方式对于单人决策是可行的, 对于多人决策, 可能会出现冲突。虽然也可以通过专家决策法将决策意见进行汇总取权
    重, 但这个过程周期长且比较复杂

    1. 判断矩阵的赋值方式有待斟酌, 即矩阵中对称位置权数取倒数关系。该赋值一方面忽视
      现实决策中的非理性实际,鉴于此, 层次分析法中提出了一致性 检验, 即找出实际决策环境中的随机判断矩阵的最大特征值 λ , 用公式 (λ-n)/ (n-1)来检验矩阵的一致性指标, 但仅仅 是检验, 而不能在决策之前就对决策进行指导

    7)正反矩阵的这种“倒数”赋值 会在后面的计算标准权重和相对权重中 产生“意见放大”现象

    8)层次分析法最后是按层次权值的最大值,即“最大原则”来进行分类,忽略比它小的上一级别的层次权值,完全不考虑层次权值之间的关联性,因而导致分辨率降低,评价结果出现不尽合理的现象。

    9)不能为决策提供新方案。层次分析法的作用是从备选方案中选择较优者。这个作用正好说明了层次分析法只能从原有方案中进行选取,,而不能为决策者提供解决问题的新方案。

    1. 特征值和特征向量的精确求法比较复杂

    二、改进

    1)为减小工作量,可以采取如下 2 种方法构造判断矩阵.

    ①只对下三角或上三角进行标度.若只对下三角标度,只需标度 m/2个,工作量减少一半,并且可以大大提高判断矩阵的一致性。

    ②只以 1个因子为准进行标度(只获取 1 列或 1 行判断值) ,然后用如下的递推方法推算 判断矩阵中其他位置的数据.。在此方法中,基础标度( 标度行或列)的影响较大,一旦不合理,根据累积放 大原理,将导致整个判断矩阵的更加不合理.为此, 提高第1 行或列的标度质量成为本方法的关键.

    1. 提高判断矩阵标度质量的途径.要请多位专家而不是一二位专家来标度.在请多个专家进行评价时,最好采取独立的方式,相互之间不能干扰.

    多个专家评价结果的综合,可以在 2 个环节上进行: 一是对判断矩阵中的指标进行综
    合; 另是对最终结果进行加和和归一化处理.

    3)用穆迪优先图表法对层次分析法进行改进

    首先, 穆迪图表法很容易操作。判断矩阵中的每两个指标之间的赋值简单明了。其次, 穆迪图表法允许决策团队在两个指标之间的判断错位, 符合决策过程中有限理性的实际。最后, 穆迪图表法相应两项指标之间遵循和为常数, 避免了层次分析法中两两指标之间互为倒数所带来的“放大效应”。

    4)在确定样本所属质量级别上进行改进。根据“大于其上一级别之和”的分类原则进行判定,
    该改进出发点在于: 既然下(上)一级别的值域对上(下)一级的权重彼此都有贡献,本身就说明了综合权重之间具有关联性。

    5)采用三标度法进行重要性比较, 建立比较判断矩阵Aij, 确定一级指标的权重。根据初始比较矩阵Aij, 得到判断矩阵、反对称传递矩阵、最优传递矩阵及拟优传递矩阵

    1. 改进在判断矩阵的构造中对人的主观评价的量化过程。当采用模糊评价中对各指标给出的平均分数作为衡量各指标重要性大小的标度时,这样的量化过程就显得精确很多

    7)把聚类分析的思想融合到群组AHP法中, 按照每个类别的类容量大小确定专家权重;

    8)根据判断矩阵的一致性程度确定专家权重, 然后将两者结合得到最终的专家权重, 最后与专家个体排序向量进行加权从而确定指标权重

    三、参考文献

    [1] 吴殿廷,李东方. 层次分析法的不足及其改进的途径. 北京师范大学学报(自然科学版),2004,(4):264-268.

    [2] 孟宪林. 层次分析法在环境质量评价中的不足与改进.四川环境,2001:50-52.

    [3] 演克武,朱金福,何涛. 层次分析法在多目标决策过程中的不足与改进.理论新探,2007, (5):10-11.

    [4] 层次分析法优缺点.百度文库.

    [5] 曹昱鹏,
    王智杰, 胡勇文.改进的层次分析法在高校学生综合素质评定中的应用[J].轻工科技, 2018, 34 (3) :53-55.

    [6] 李琪,周向东,改进层次分析法评价临床医学专业研究生综合能力.海南医学院教育科研课题,2008: 1583-1585

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    目录:

    1. 层次分析法简介
    2. 层次分析法基本原理
    3. 构造判断矩阵
    4. 一致性检验
    5. 一致性检验通过的判断矩阵求权重
      4.1 算数平均法求权重
      4.2 几何平均法求权重
      4.3 特征值法求权重
    6. 总结

    0. 层次分析法简介
    层次分析法(Analytic Hierarchy Process,简称AHP)主要是对于定性的决策问题进行定量化分析的方法。举个例子,在日常生活中,我们经常需要进行感性的判断,比如报高考志愿,感觉清华北大都很好,到底要报哪个;再比如去市场买菜,到底是买青椒做青椒炒鸡蛋,还是买黄瓜做黄瓜炒鸡蛋;再比如想去出游,到底是去公园A还是公园B。上面提到的这些问题,都是决策,也叫做评价类问题,最终的目的就是要评价到底哪个更好。这个方法在数学建模比赛,比如美赛等比赛中有时会用到,另外对日常的生活也有一定的指导。

    那么如何用数学的评价体系去解决这类看似非常感性的问题呢,这就诞生了我们今天要讲的层次分析法。这里我们从浅入深对于层次分析法进行一个讲解。

    1. 层次分析法基本原理

    这里我们举一个例子让大家大致的了解层次分析法的基本原理。假如,小明想买一瓶饮料喝,他在纠结到底是买可乐好,还是雪碧好,还是汇源果汁,他非常的纠结,于是想建个模型来分析到底买哪种饮料好。

    为了实现这个评价,首先我们要确定评价的指标,比如这里我们设定三种指标:饮料的口味,饮料的价格和饮料健康程度,那么最直观的量化方法就是给各个因素一个权重,然后给各个饮料进行打分,如下表:
    在这里插入图片描述

    表格中相同颜色的区域加和需要为1,这是为了标准化。所以我们来看一下这个表格,在评价指标方面,小明很注重健康因为给了健康0.5的权重,其次是口味0.3,最后是价格0.2; 具体的在口味方面,小明觉得可乐和雪碧差不多(0.35),果汁稍微差一点是0.3 以此类推,小明就只做了这张表格,为了计算每种饮料的得分,我们只需要把备选方案的权重乘对应的评价指标的权重并且加和即可,也就是:

    可乐的最终得分是0.35×0.3+0.4×0.2+0.1×0.5 = 0.1005;
    雪碧的最终得分是 0.35×0.3+0.4×0.2+0.2×0.5 = 0.1505;
    汇源果汁的最终得分是 0.3×0.3+0.2×0.2+0.7×0.5 = 0.379;

    通过比大小我们就看得出来汇源果汁的最终得分最高,所以小明应该选择汇源果汁。

    回顾一下,为了量化的评价,我们需要确定评价指标,和备选方案两个重要的因素,接着分配权重(记得加和为1),最终通过乘法然后加和的方式得到最终的量化得分,从而做出最终的评价。

    2. 构造判断矩阵

    层级分析法就是简单的编造几个权重然后进行抉择么?当然不是,如何客观合理的设定表格中的权重才是重中之重,因此,我们这里介绍如何构造判断矩阵。

    在现实问题中,往往存在很多个评价指标,让小明从饮料的口味,价格,健康,瓶盖能不能兑奖,瓶子是不是好看,自己是不是汇源果汁的代言人……等很多评价指标中给出合理的权重是一个非常困难的事情,也许小明现在给出的权重和一会儿给出的权重就完全不同,所以,为了简化思维过程,我们首先进行评价指标的两两比较,再将比较结果汇总成最终的权重。

    为了量化两两比较的结果,我们要祭出一个评价体系表格(不要问我从哪里来~它的故乡在远方)说白了,就是在A和B两者比较中划分了一个1到9的重要等级。
    在这里插入图片描述

    举个例子,假如说饮料的健康性(A)和口味(B)相比,健康要明显重要,则我们就可以说A比B的权重是5。之后我们开始构建我们的判断矩阵。

    在这里插入图片描述

    上述的表格就是一个判断矩阵,我们可以看到这个判断矩阵有几个特点,对角线都为1,而且对角线对称的元素相乘都为1,这样的矩阵也被称为正互反矩阵。
    为了更加数学的描述,我们设定矩阵的元素定义为a_ij代表了与j相比i的重要性,其中i表示行,j表示列, 其中a_ij>0而且a_ij×a_ji=1即对称元素相乘为1。当i=j时,也就是元素在对角线上时,元素为1。另外理想的情况下要满足a_ij=a_ik×a_kj 这个理想的条件我们在以后说明

    在构造判断矩阵的过程中我们的元素是两两进行判断的,所以是不是有可能出现问题呢?答案是有可能的,我们将表格中的元素进行一个更改,并用绿色标记出,随后得到了如下的表格

    在这里插入图片描述

    我们看第一行,口味比价格重要(口味>价格)同时健康比口味重要(健康>口味),那么按照正常的推理我们是不是应该得到健康比价格重要(健康>口味>价格)然而实际上表格中填写的是价格比健康重要(价格>健康)这就出现了矛盾,也就是不一致现象。在理想情况下,在这里插入图片描述
    ,所以说,在理想的情况下a_ij=a_ik×a_kj 。理想的情况下的判断矩阵也有一些很好的性质,比如行列成比例,也就是说矩阵的秩为1,这里不进行深入的讨论。但是大部分的情况下,没办法达到如此的完美,那么为了量化评价这种不一致现象的大小,就需要在运算权重之前进行一致性的检验。

    回顾一下,为了更合理的得到层次分析法表格中的权重,我们引入了数值为1-9的标度体系,并且用两两比较的方法构建了一个判断矩阵用于之后的权重计算,然而判断矩阵存在不一致的问题,因此我们要从数值的角度评价不一致的大小,以此引出一致性的检验。

    3. 一致性检验

    为了构建一个一致性的指标来验证矩阵的一致性,学者们主要参考了线性代数中的两个定理:

    定理1:若A为一致性矩阵,则A的最大特征值λ_max⁡ = n,其中n为矩阵A的阶,A的其余特征值均为0。

    定理2:n阶正互反矩阵为一致性矩阵,当且仅当其最大特征值λ_max⁡ = n,并且当正互反矩阵非一致时,必有λ_max⁡ > n。

    从定理2的后半句中,我们可以看到,当一个正互反矩阵为非一致的矩阵的时候必有最大的特征值大于矩阵的阶,所以就想到可以使用最大特征值和矩阵的阶的差值来定义不一致性。这种想法看似复杂,其实超级朴素,比如时间不能倒流,所以出生后经过的年数就定义为你的年龄(年数-0)。

    为此就定义了一致性指标CI,CI = (λ_max – n) / (n -1)。也就是说一致性指标CI越大,整个矩阵就越不一致,当CI是0的时候是完全理想的一直矩阵。(难道这不应该叫不一致性指标么???)

    另外,为了得到计算出来的一致性指标到底是大还是小,我们又构建了平均随机一致性指标RI,该指标的构建方法是随机构建1000个正互反矩阵,并计算一致性指标的平均值。这里的RI也就是说当矩阵的阶数为n的时候随机的平均一致性。这相当于一把尺子,告诉大家如果完全随机(瞎蒙)的填写这个判断矩阵的结果的话,那么你的一致性指标的期望就大概是这个RI的值。RI如何计算呢?查表就可以了。
    在这里插入图片描述
    当CI和RI的比值小于0.1的时候,我们认为这个矩阵是一致的,也就是说你矩阵的一致性指标,要比平均的瞎蒙的一致性指标小一个数量级的时候,我们认为你就不是乱猜的了。这样我们就构建了我们的一致性比例CR = CI/ RI。如果说一个正互反矩阵的一致性比例没有小于0.1,那么就需要调整矩阵以满足要求。

    在这里插入图片描述

    举个例子,我们以这个判断矩阵为例,计算它是否满足一致性的要求,第一步是计算其最大的特征值,在matlab中,我们可以使用[x,y] = eig([1,3,1/5;1/3,1,1/6;5,6,1]); l_max = max(diag(y)); 计算得到,最后计算得到的最大特征值为3.0940, 我们可以看到这个值满足我们定理2中所说的要比矩阵的阶数3大。CI = (l_max -3) / ( 3 -1 ); 计算CI值是0.0470。RI值通过查表得到是0.52,最后我们的RI值就是CI/RI = 0.0904 < 0.1 所以这个矩阵满足一致性的要求。

    回顾一下,这里主要讲如何验证矩阵的一致性,为了验证一致性构造了一致性比例CR,满足CR小于0.1的就认为该判断矩阵合理,不满足的就要对判断矩阵进行调整,得到合理的判断矩阵,得到合理的判断矩阵之后,就可以进行最初的,层次分析法的计算了。

    4.一致性检验通过的判断矩阵求权重

    得到了合理的判断矩阵我们这里就要计算每个影响因素所占的权重,这里主要有三种方法,算数平均法,几何平均法,和特征值法求权重
    4.1 算数平均法求权重:(列归一化,行平均值)
    对每列进行归一化处理,并且按照行求平均值就得到了我们最终的权重,这是最简单的计算方法,具体的方法如下:step1:列归一化
    最左上角的元素归一化就是1/(1+1/3+5)=0.18;
    第一行第二个元素的计算方法就是3/(3+1+6)=0.30以此类推;

    在这里插入图片描述

    Step2:行平均值
    口味:(0.18+0.30+0.17)/3 = 0.22;
    价格:(0.06+0.10+0.14)/3 = 0.10;
    健康:(0.88+0.60+0.83)/3 = 0.77;
    正常权重的加和是1,这里因为四舍五入的原因有一定的偏差。得到了权重之后,我们就可以写入最开始的表格了(还记得嘛?在算了这么多之后一定要牢记使命,别忘了最开始计算这些东西的目的是什么)

    在这里插入图片描述

    4.2 几何平均法求权重:(行相乘开n次方,列归一化)

    这里的计算方法就是将行的元素都相乘,然后再开对应的n次方,并对得到的n个数字进行归一化即可。

    4.3 特征值法求权重:(最大特征值的特征向量归一化)

    特征值法其实是应用最多的一个方法,就是求最大特征值所对应的特征向量并进行归一化处理,matlab的计算方法如下:[x,y] = eig([1,3,1/5;1/3,1,1/6;5,6,1]); vec_max = x(:,1);得到的vec_max就是最大特征值对应的特征向量了。在本例中是0.26,0.12,0.96在对其进行归一化的处理,得到0.19,0.09,0.72 这样我们就用另一种方法求得了权重。

    回顾一下这里介绍了三种不同的方法对判断矩阵的权重进行计算。除了这三个影响因素的判断矩阵以外,具体的表格中可乐,雪碧和汇源果汁的判断矩阵构造方法也是一样的。只需要列出以下的表格,检验一致性并最终计算即可。

    在这里插入图片描述

    5. 总结
    以上就是层次分析法的全部过程,有几个小的问题需要进一步的讲解,当判断矩阵不满足一致性的时候我们调整的方法就是重新梳理整个矩阵的各个元素,可以利用理想状态下,行和列的元素成比例的性质进行微调。另外,层次分析法考虑的因素不能过多,不论是候选的种类,还是评价的指标都不能太多。除此之外,层次分析法主要是在主观的评价体系中进行决策,或者满意度的评价,当在一个问题中,已经有很多已知的数据的时候,这种方法就显得不太好了。

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    二、分析问题

    考虑价格、外观、配置等因素,构造的层次模型如下:

    三、问题解决:

    根据专家分析可知

    四个准则对目标的重要性权重为一下矩阵如下:

    由公式可计算矩阵

    可知

    故矩阵的不一致性在容许的范围之内

     

    方案层对于准则层的的重要性权重如下:

    以上数据CI验证通过

    四、计算

    用最大特征值对应的特征向量作为被比较因素对上层某因素影响程度的权向量,由公式可以求出每个方案的权值

     

    MATLAB求解代码如下:

    clc;
    clear;
    close all;
     
    A = [1 3 1 3;
        1/3 1 1/3 1;
        1 3 1 5;
        1/3 1 1/5 1];
     
    B1 = [1 3 3;
        1/3 1 1/3;
        1/3 3 1];
     
    B2 = [1,3,1/3;
        1/3,1,1/5;
        3,5,1];
     
    B3 = [1,1/3,3;
        3,1,5;
        1/3,1/5,1];
     
    B4=[1 3 1;
        1/3 1 1/5;
        1 5 1];
     
    [x,y]=eig(A);
    lambda=max(diag(y));
    CI=(lambda-4)/(4-1);
    [x1,y1]=eig(B1);
    [x2,y2]=eig(B2);
    [x3,y3]=eig(B3);
    [x4,y4]=eig(B4);
    loc=find(max(diag(y)));
    loc1=find(max(diag(y1)));loc2=find(max(diag(y2)));
    loc3=find(max(diag(y3)));loc4=find(max(diag(y4)));
    W=[x1(:,loc1),x2(:,loc2),x3(:,loc3),x4(:,loc4)]*x(:,loc);
    

     

    求解可得

    综上所述,购买品牌机器性价比更高

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    层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)这是一种定性和定量相结合的、系统的、层次化的分析方法。这种方法的特点就是在对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入研究的基础上,利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化,从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。是对难以完全定量的复杂系统做出决策的模型和方法

    层次分析法的原理,层次分析法根据问题的性质和要达到的总目标,将问题分解为不同的组成因素,并按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同的层次聚集组合,形成一个多层次的分析结构模型,从而最终 使问题归结为最低层(供决策的方案、措施等)相对于最高层(总目标)的相对重要权值的确定或相对优劣次序的排定

    所以,AHP理论本质是通过把一个复杂的问题拆解为多个目标或准则,并且通过定性量化的方式为每个目标进行赋权的一个过程。

    简单来说AHP就是拆解加赋权,下面详细讲一下过程。
    层次分析法的步骤,运用层次分析法构造系统模型时,大体可以分为以下四个步骤:

    • 建立层次结构模型;
    • 构造判断(成对比较)矩阵;
    • 层次单排序及其一致性检验;
    • 层次总排序及其一致性检验;

    3.层次分析法的基本步骤

    将决策的目标、考虑的因素(决策准则)和决策对象按他们之间的相互关系分成最高层、中间层和最低层,绘制层次结构图。

    1.最高层(目标层):决策的目的、要解决的问题;
    2.中间层(准则层或指标层):考虑的因素、决策的准则;
    3.最低层(方案层):决策时的备选方案;

    3.1 建立层次结构模型

    在这里插入图片描述

    3.2 构造判断矩阵

    什么是判断矩阵?

    判断矩阵就是以参与指标计算的所有ferture组成的一个方阵,并且给出两两“比较量化值”。举例如下:

    对于A和B两个因子,1表示:A和B一样重要;3表示:A比B重要一些;5表示:A比B重要;7表示:A比B重要的多;9表示:A比B极其重要,具体标准如下图所示:

    因素i比因素j量化值
    同等重要1
    稍微重要3
    较强重要5
    强烈重要7
    极端重要9
    l两相邻判断的中间值2,4,6,8

    这其实就是一个典型的小组投票的过程,通过在方阵行列元素的两两比较,最终可以生成一个判断矩阵。比如对于有 A,B,C,D四个feature(分别代表钱,人员,时间,其它) 的判断矩阵如下图所示:

    ABCD
    A1.002.005.004.00
    B0.501.001.671.33
    C0.200.601.000.80
    D0.250.751.251.00

    3.3 层次单排序及一致性检验

    所谓一致性校验是指在进行投票的时候的公平性和一致性。
    比如你认为A比B重要,B比C重要,但是从最后的结果来看是C比A重要,这样即为不一致。
    一致性校验是通过计算校验系数来实现的,通常用CR来表示,小于0.1即表示一致性校验通过。

    CR包含一致性指标(CI)和随机一致性指标(RI)两部分,CR=CI/RI。

    CI和RI是一个固定值,与矩阵的阶数有关。
    一致性校验是通过计算校验系数来实现的,通常用CR来表示,小于0.1即表示一致性校验通过。

    1.模拟
    用EXCEL来进行计算(这里用三个参数来模拟
    在这里插入图片描述
    构建判断矩阵A(正交矩阵),用aij表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果:

    在这里插入图片描述
    2.计算权重:
    将矩阵A的各行向量进行几何平均(方根法),然后进行归一化,即得到各评价指标权重和特征向量W:

    在这里插入图片描述

    3.一致性检验:

    在这里插入图片描述
    这里的n是指矩阵的维度

    • CI = 0,有完全的一致性;
    • CI 接近于0,有满意的一致性;
    • CI越大,不一致越严重;
      为了衡量 CI的大小,引入随机一致性指标 RI。方法为随机构造500个成对比较矩阵

    定义一致性比率:
    [公式]
    RI系数如下表格

    矩阵阶数34567891011
    RI0.51490.89311.11851.24941.34501.42001.46461.491.51

    一般,当一致性比率CR < 0.1 时,认为A的不一致程度在容许的范围之内,有满意的一致性,通过一致性检验,可用其归一化特征向量作为权向量,否则要重新构造成对比较矩阵A,对 其 加以调整。

    4.计算公式
    各列键入公式:

    按行相乘:F3=PRODUCT(C3:E3),下拉至F5。

    开n次方:G3=POWER(F3,1/3),下拉至G5;G6=SUM(G3:G5)。

    权重wi:H3=G3/G$6,下拉至H5。

    AWi:I3=C3H$3+D3H$4+E3*H$5,下拉至I5。

    AWi/wi:J3=I3/H3,下拉至J5;J6=AVERAGE(J3:J5)。

    CI:K3=(J6-3)/2。

    CR:L3=K3/0.5149

    5.进行计算

    在这里插入图片描述
    6.结束
    通过进行小组投票和自动计算,最终CR的值为0.03706,因此一致性检验通过

    权重Wi列即为每个feature的权重,因此最终我们可以得出该指标的计算公式为:

    target = A * 0.1047 + B * 0.6369 + c * 0.2582

    完美解决!

    4.总结

    大家这里或许会有个疑问:

    采用AHP的方法进行赋权,小组投票阶段是主观判断重要性的,所以是不是会带来误差?

    会,一定会。

    不过 策略一定是建立在业务之上的,撇开业务谈策略都是伪策略。

    采用AHP模型进行多因子赋权,

    需要对该业务有足够的了解,更需要对该target下的多个feature有 足够的了解 ,哪个对于target的贡献度是最大的。

    比如对于一个商品,什么样的商品是用户喜欢的?用户喜欢的商品有哪些feature?每个feature对于用户喜欢的贡献程度是什么样的?这些都是需要业务经验参与的。

    如果说科学的方法都有一个前提假设,那么AHP也有一个前提,就是 先了解业务,再谈策略

    以上,希望能帮助到大家。
    在这里插入图片描述

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