• Nie Znaleziono Wyników

Podejście porównawcze

W dokumencie systemu oceny jakości w nauce (Stron 89-99)

W ostatniej części rozdziału poświęconego aksjomatycznej analizie opera-torów agregacji przyjrzymy się warunkom, które trzeba nałożyć na trój-kąty współczynników bądź trójtrój-kąty funkcji, aby uzyskać (quasi-)L-statystyki bądź (quasi-)S-statystyki spełniające wybrane własności.

Na zakończenie porównamy różne konkretne funkcje wpływu. Wygenero-wane przez nas zestawienie może okazać się pomocne w procesie wyboru (lub odrzucania) narzędzia oceniającego jakość producentów.

3.4.1 L-statystyki

Podobnie jak w poprzednim podrozdziale, omawiając L- i quasi-L-statystyki ograniczymy się do przypadku I = [0, ∞]. Kilka z przedstawionych niżej wyników pokazaliśmy (przy silniejszych założeniach) w pracy [83].

Twierdzenie 3.4.1. Dla I = [0,∞] oraz △ = (ci,n)n∈N,i∈[n] takiego, że (∀n) (∀i ∈ [n]) ci,n­ 0, zachodzi, co następuje.

(i) L ∈ P(cont).

(ii) L ∈ P(sinc) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) ci,n> 0.

(iii) L 6∈ P(sainc).

(iv) L ∈ P(idm) ⇐⇒ (∀n) Pni=1ci,n= 1.

(v) L ∈ P(idma) ⇐⇒ limn→∞Pni=1ci,n = 1.

(vi) L ∈ P(a0) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) ci,n+1= ci,n.

(vii) L ∈ P(F0) ⇐⇒ (∃j) (∀n ­ j) cj,n= q ∈ [0, 1] oraz (∀m) (∀i ∈ [m], i 6= j) ci,m = 0.

(viii) L ∈ P(F+)∩ P(a0) ⇐⇒ c1,1 > 0, (∀n) (∀i ∈ [n]) ci,n+1 = ci,n oraz jeśli Pni=1ci,n < 1, to cn+1,n+1> 0.

(ix) L ∈ P(sat) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) ci,n= 0.

(x) L 6∈ P(sat+).

Przypomnijmy (por. s. 62), że

L ∈ P(I1)∩ P(I3)∩ P(I4)⇐⇒ (∀n)(∀i ∈ [n]) ci,n­ 0. (3.27) Co więcej,

L ∈ P(I2)⇐⇒ (∀n)(∀i ∈ [n])

Xi

j=1

cj,n+1 ­

Xi

j=1

cj,n (3.28) oraz

L ∈ P(I5) ⇐⇒ (∃n)(∃i ∈ [n]) ci,n> 0. (3.29) W punkcie (viii) własność P(F+) podajemy w koniunkcji z P(a0), ponieważ w przeciwnym przypadku postać trójkąta współczynników jest bardzo skom-plikowana.

Dowód. Pomijamy trywialne przypadki.

(iii) Zauważmy tylko, że (∀△) (∀n) L(n ∗ 0) = L((n + 1)∗ 0). Zatem P(sainc) nie może zachodzić w tej klasie funkcji.

(vii) Ustalmy n. Rozważmy trzy przypadki.

• Jeśli c·,n = (n∗ 0), to L(x) = 0 dla każdego x ∈ In i własność P(F0) zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy c·,n+1 = (n∗ 0, q) dla pewnego q ­ 0.

• Jeśli c·,n= ((n− 1) ∗ 0, q) (ten przypadek obejmuje także warunek c1,1 = q) dla pewnego q > 0, to L(x) = qx(1). P(F0) zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy q ∈ (0, 1] oraz c·,n+1 = ((n− 1) ∗ 0, q, 0), ponieważ P(F0)∩ P(I1) ⊆ P(I2)∩ P(I1).

• Jeśli c·,n = ((i− 1) ∗ 0, q, (n − i) ∗ 0) dla pewnego q ∈ (0, 1] oraz i∈ [n − 1], to P(F+) jest spełnione tylko, gdy

c·,n+1 = ((i− 1) ∗ 0, q, (n − i + 1) ∗ 0).

(viii) (=⇒) Zauważmy, że w przypadku spełnienia P(a0), zachodzi L(x) =

Pn

i=1ci,ix(n−i+1).

Mamy L(0) = 0. Załóżmy, że c1,1 = 0 i L ∈ P(F+). Wtedy dla każdego ε > 0 zachodzi L(ε, 0) = 06> L(0), sprzeczność, więc c1,1 > 0.

Ustalmy n. Rozważmy dwa przypadki.

• NiechPni=1ci,i < 1 oraz x = (n∗d) dla d ∈ (0, ∞). Wtedy L(x) <

d. Zatem konieczne jest, by cn+1,n+1> 0. Ponadto, przez indukcję, (∀i ¬ n) ci,i > 0.

• Niech Pni=1ci,i ­ 1 oraz j = min{j : Pji=1ci,i}. Mamy (∀k ∈ [j]) ck > 0. Weźmy dowolne x ∈ In, ε > 0 oraz y = (x(n), . . . , x(2), L(x) + ε). Jako że L(x) + ε > x(n−j+1), to L(x) < L(y) ¬ L(x, L(x) + ε) dla każdego cn+1,n+1­ 0.

(⇐=) Łatwe do pokazania.

3.4.2 Quasi L-statystyki

Przeprowadźmy analizę porównawczą quasi-L-statystyk.

Twierdzenie 3.4.2. Niech I = [0, b] i △ = (fi,n)n∈N,i∈[n] będzie dowolnym trójkątem funkcji takim, że (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n(0) = 0 oraz fi,n jest niemale-jąca.

(i) qL ∈ P(cont) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n jest funkcją ciągłą.

(ii) qL ∈ P(sinc) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n jest funkcją rosnącą.

(iii) L 6∈ P(sainc).

(iv) qL ∈ P(idm) ⇐⇒ (∀n) Pni=1fi,n= id.

(v) qL ∈ P(idma) ⇐⇒ limn→∞Pn

i=1fi,n= id.

(vi) qL ∈ P(a0) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n+1 = fi,n.

(vii) qL ∈ P(F0) ∩ P(cont) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]), fi,n+1 = fi,n, fn,n jest ciągła, Pnj=1fj,j  id oraz

jeśli (∃j) fj,j(∞) = ∞, to (∀k > j) fk,k = 0.

(viii) qL ∈ P(F+)∩ P(a0) taka, że (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n= 0 lub fi,n jest rosnąca

⇐⇒ f1,1 jest rosnąca, (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n+1= fi,n oraz jeśli Pni=1fi,i ≺ id, to fn+1,n+1 jest także rosnąca.

(ix) qL ∈ P(sat) ⇐⇒ (∀n) Pni=1fi,n(b) < b oraz (∃j ∈ [n]) (∃y < b) fj,n(y) = fj,n(b).

(x) qL ∈ P(sat+) ⇐⇒ (∀n) Pni=1fi,n(b) <Pn+1i=1 fi,n+1(b) < b oraz (∃j ∈ [n]) (∃y < b) fj,n(y) = fj,n(b).

Przywołajmy dla porządku dwa fakty z rozdziału 2. Mamy qL ∈ P(I1)

wtedy i tylko wtedy, gdy każda z funkcji fi,njest niemalejąca oraz qL ∈ P(I2), jeśli Pij=1fj,n+1Pij=1fj,n.

W punkcie (vii) P(F0) rozpatrujemy razem z ciągłością, w przeciwnym razie postać △ staje się zbyt skomplikowana i, tym samym, nieczytelna.

Z podobnych powodów nakładamy kilka dodatkowych warunków dla P(F+)

w punkcie (viii). Dopuszczając funkcje fi,nkawałkami stałe (prócz przypadku fi,n = 0), musielibyśmy rozpatrywać wiele zagnieżdżonych warunków (szcze-gólnie problematyczną jest sytuacja fi,n (x) = 0).

Dowód. Pomijamy przypadki oczywiste.

(iii) Wystarczy zauważyć, że zgodnie z przyjętymi założeniami zachodzi (∀△) (∀n) qL(n∗ 0) = qL((n + 1)∗ 0).

(vii) Przypomnijmy, że P(F0) ∩ P(nd) ⊆ P(a0) ∩ P(nd), zatem (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n+1 = fi,n. Dodatkowo, qL ∈ P(cont) wtedy i tylko wtedy, gdy każda z funkcji fn,n jest ciągła.

Weźmy najmniejsze n takie, że fn,n 6= 0, tj. n := min{n : fn,n(∞) > 0}.

Wtedy dla każdego x ∈ In zachodzi qL(x) = fn,n(x(1)). Zauważmy, iż P(F0) może być spełnione wtedy i tylko wtedy, gdy fn,n  id. Rozpa-trzmy więc dwa przypadki.

• Niech fn,n(∞) = ∞. Weźmy najmniejsze m > n takie, że fm,m6= 0.

Z ciągłości, istnieje y < ∞, że zachodzi fm,m(y) > 0. Niech z będzie takie, iż fn,n(z) = y (jako że fn,n jest ciągła, mamy ran fn,n = I).

Ale wtedy qL((m−1)∗z) = y < qL((m−1)∗z, y), sprzeczność.

Zatem (∀m > n) fm,m = 0.

• Niech fn,n(∞) = z < ∞. Wtedy zachodzić musi fn+1,n+1(z) = 0 oraz fn,n+ fn+1,n+1 id.

Stosując podobne rozumowanie dla kolejnych k = n+2, n+3, . . . , otrzy-mujemy warunek (∀m) Pmj=1fj,j  id. Co więcej, jeśli (∃i) fi,i(∞) = ∞, to (∀j > i) fj,j = 0.

(viii) Z P(a0) mamy (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n+1 = fi,n. Zauważmy, że (∀ε > 0) musi zachodzić f1,1(ε) > 0, bo inaczej P(F+) nie byłoby spełnione przy podaniu na wejściu wektora (0, . . . , 0).

Ustalmy n. Rozważmy dwa przypadki.

• Jeśli Pni=1fi,i  id, wtedy dla każdego x ∈ In i ε > 0 zachodzi qL(x) + ε > x(1). Ponadto, z monotoniczności, mamy qL(x) <

qL(x, qL(x) + ε). Z tego wynika, że fn+1,n+1może być dowolne.

• W przeciwnym przypadku, (∀ε > 0) fn+1,n+1(ε) > 0.

Jako że powyższe warunki są także wystarczające, dowód uznajemy za zakończony.

3.4.3 S-statystyki

Uogólnijmy i rozszerzmy wyniki podane przez nas w pracy [87].

Twierdzenie 3.4.3. Dla każdego I = [a, b] i dowolnego trójkąta współczynni-ków △ = (ci,n)i∈[n],n∈N, ci,n∈ I takiego, że (∀n) a ¬ ci,n ¬ cj,n¬ b dla i ¬ j, zachodzi, co następuje.

(i) S ∈ P(cont). (ii) S 6∈ P(sinc). (iii) S 6∈ P(sainc).

(iv) S ∈ P(idm)⇐⇒ (∀n) cn,n = b.

(v) S ∈ P(idma) ⇐⇒ (∀n) limn→∞cn,n = b.

(vi) S ∈ P(a0) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) ci,n+1= ci,n. (vii) S ∈ P(F0) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) ci,n+1= ci,n.

(viii) S ∈ P(F+)⇐⇒ (∀n) jeśli c1,n < b, to c1,n+1 >Wi∈[n],ci,n<bci,n; w przeciwnym przypadku c1,n+1= b.

(ix) S ∈ P(sat) ⇐⇒ (∀n) cn,n < b.

(x) S ∈ P(sat+)⇐⇒ (∀n) cn,n < cn+1,n+1< b.

Przypomnijmy, że dla dowolnego △ zachodzi S ∈ P(I1) ∩ P(I3) ∩ P(I4). Mamy S ∈ P(I2) wtedy i tylko wtedy, gdy (∀i ∈ [n]) ci,n+1 ­ ci,n ­ a oraz S ∈ P(I2)∩ P(I5) jedynie, gdy limn→∞cn,n = b.

Dowód. Pomijamy trywialne przypadki.

(vi) (=⇒) Zauważmy, że (∀i ∈ [n]) S(i∗ di,n, (n − i) ∗ a) = ci,n, gdzie di,n= (ci,n+δ)∧b dla każdego δ ­ 0. Aby S(i∗di,n, (n−i)∗a, a) = ci,n, to ci,n+1 musi być równe ci,n.

(⇐=) Łatwo pokazać, że jest to także warunek dostateczny. Dla każ-dego bowiem x ∈ In niech j będzie takie, że S(x) = cj,n∧ x(n−j+1). Mamy S(x)¬ x(n−j+1). Implikuje to, iżWn+1i=j+1S(x)∧ci,n+1¬ S(x).

(viii) (=⇒) Ustalmy n. Jeśli c1,n = b, to P(F+) implikuje, iż c1,n+1 = b.

W przeciwnym przypadku niech j = arg max{j : cj,n < b}. Weźmy x = (n∗ cj,n). Mamy S(x) = cj,n. Jeśli S ∈ P(F+), to dla każdego ε > 0 zachodzi S(x, cj,n+ ε) > cj,n. Zatem c1,n+1> cj,n.

(⇐=) Aby pokazać, że jest to warunek dostateczny, weźmy dowolne y ∈ In. Mamy S(y) = ck,n ∧ y(n−k+1) dla pewnego k. Wtedy ck,n y(n−k+1) < ci,n+1∧((ck,n∧y(n−k+1))+ε) dla każdego i, ponieważ zgodnie z założeniem c1,n+1¬ · · · ¬ cn+1,n+1.

3.4.4 Quasi S-statystyki

Kolejne twierdzenie dotyczy analizy porównawczej klasy quasi-S-statystyk.

Twierdzenie 3.4.4. Niech I = [a, b] i △ = (fi,n)n∈N,i∈[n] będzie dowolnym trójkątem funkcji takim, że (∀n) a  fn,n(a)  f1,n  f2,n  · · ·  fn,n  b, oraz (∀i ∈ [n]) fi,n jest niemalejąca. Wtedy zachodzi, co następuje.

(i) qS ∈ P(cont) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n jest funkcją ciągłą.

(ii) qS 6∈ P(sinc).

(iii) qS ∈ P(sainc) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n≺ fi,n+1. (iv) qS ∈ P(idm) ⇐⇒ (∀n) fn,n = id.

(v) qS ∈ P(idma) ⇐⇒ (∀n) limn→∞fn,n = id.

(vi) qS ∈ P(a0) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n+1 = fi,n.

(vii) qS ∈ P(F0)∩ P(cont) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n+1= fi,n i są ciągłe, (∃d ∈ I) (∀x ¬ d) fn,n(x) = d oraz

(∀y > d) fn,n(y)¬ y.

(viii) qS ∈ P(F+) ⇐⇒ (∀n) (∀i ∈ [n]) (∀y ∈ I) zachodzi

• fi,n(y)­ y =⇒

fi,n(y) < fi+1,n+1(y) lub (∀ε > 0) fi,n(y) < f1,n+1(fi,n(y) + ε),

• fi,n(y) < y =⇒

fi,n(y) < fi,n+1(y) lub

(∀ε > 0) fi,n(y) < fi+1,n+1(fi,n(y) + ε).

(ix) qS ∈ P(sat) ⇐⇒ (∀n) fn,n(b) < b.

(x) qS ∈ P(sat+) ⇐⇒ (∀n) fn,n(b) < fn+1,n+1(b) < b.

Pamiętamy, że S ∈ P(I1), jeśli każda z fi,n jest funkcją niemalejącą, a S ∈ P(I1)∩ P(I2), gdy dodatkowo fi,n+1 fi,n.

Zwróćmy uwagę, iż qS(n∗ a) = fn,n(a). Co więcej, (∀n) i dowolnego x ∈ In, niech qS(x) = fj,n(x(n−j+1)) dla pewnego j. Wtedy qS(x) = qS(j∗ x(n−j+1), (n− j) ∗ a), bo f1,n(x(n))¬ · · · ¬ fj,n(x(n−j+1)) oraz fj+1,n(a) =· · · = fn,n(a) ¬ fj,n(x(n−j+1)). Jeśli dla pewnego i oraz x zachodzi qS(i∗ x, (n − i)∗ a) = qS((i− 1) ∗ x, (n − i + 1) ∗ a), to fi,n(x) = fi−1,n(x).

W punkcie (vii) własność P(F0) rozważamy w koniunkcji z ciągłością, ina-czej postać trójkąta funkcji staje się zbyt skomplikowana.

Dowód. Tak jak wyżej pomijamy przypadki oczywiste.

(ii) Załóżmy, że istnieje qS ∈ P(sinc). Weźmy n = 2. Aby (∀x < x) qS(x, a) < qS(x, a), f1,2 musi być ściśle rosnąca na I.

Ustalmy teraz x ∈ I. By (∀y < y) qS(x, y) < qS(x, y), musi zacho-dzić f1,2(z) < f2,2(z) dla z > a i ściśle rosnącej f2,2. Ale wtedy (∃x < x) (∃y) takie, że qS(x, y)6< qS(x, y), sprzeczność.

(iii) (=⇒) Mamy P(sainc) ⊆ P(I2). Ustalmy n. Aby qS(n∗a) < qS((n+1)∗ a), musi zachodzić a ¬ fn,n(a) < f1,n+1(a) = · · · = fn+1,n+1(a). Weźmy dowolne x > a oraz i ∈ [n]. Mamy qS(i ∗ x, (n − i) ∗ a) = fi,n(x) oraz qS(i ∗ x, (n − i + 1) ∗ a) = fi,n+1(x). Zatem (z P(I2)) qS P(sainc) wtedy, gdy fi,n ≺ fi,n+1. Zauważmy, że warunek ten implikuje, iż fn,n(a) < fn+1,n+1(a).

(⇐=) Oczywiste.

(vi) (=⇒) Przypomnijmy, iż qS ∈ P(I1)∩ P(a0) ⇒ qS ∈ P(I2). Aby (∀n) qS(n∗a) = qS((n + 1)∗a), musi zachodzić (∀m) (∀i ∈ [m]) fi,m(a) = f1,1(a).

Ustalmy n i rozpatrzmy dowolne x > a oraz i ∈ [n]. Jako, że qS(i∗ x, (n− i) ∗ a) = fi,n(x) oraz qS(i∗ x, (n − i + 1) ∗ a) = fi,n+1(x), to by zachodziło P(a0), musimy mieć fi,n = fi,n+1. Warunek ten implikuje ponadto, iż fn,n(a) = fn+1,n+1(a).

(⇐=) Nietrudno pokazać, że warunek powyższy jest dostateczny.

(vii) (=⇒) Jeśli qS ∈ P(I1)∩ P(F0), to qS ∈ P(a0). Wobec tego, (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n+1= fi,n.

Niech d = f1,1(a). Mamy oczywiście (∀n) (∀i ∈ [n]) fi,n(a) = d. Weźmy dowolne x ∈ [a, d]n. Zachodzi (z P(I1)) qS(x) ­ d. Z drugiej strony,

jeśli qS ∈ P(F0), to (∀y ¬ d) qS(x, y) = d. Jako że qS ∈ P(I1)∩P(a0) implikuje qS ∈ P(I2), więc qS(x) = d. Wobec tego musi zachodzić fi,n(y) = d.

Bez straty ogólności możemy dalej przyjąć, że d = a. W przeciwnym przypadku dokonujemy przekształcenia qS(x) := qS(x∨ d) i rozpa-trujemy I = [d, b].

Załóżmy, że istnieją n oraz y, z takie, że fn,n(y) = z > y. Wtedy qS(n∗ y) = z > y. Z P(F0) mamy qS(z, n∗ y) = qS(2∗ z, n ∗ y) = · · · = qS(n∗z, n∗y) = z. Zatem fn,n(y) = z dla każdego y ∈ [y, z], tzn. jest to funkcja stała na tym przedziale. Musi mieć zatem punkt nieciągłości dla y′′ ¬ y, sprzeczność.

(⇐=) Teraz powinniśmy pokazać, że jeśli (∀n) (∀y) fn,n(y)¬ y, to speł-niona jest własność P(F0) dla I = [d, b] (patrz powyższe uproszczenie).

Weźmy dowolne x ∈ In. Niech y = qS(x) = fi,i(x(n−i+1)) dla pew-nego i. Jako że fj,j(y)¬ y dla każdego j, to qS(x, y) = y, co należało pokazać.

(viii) (=⇒) Rozpatrzmy dowolne n, i ∈ [n] i y ∈ I. Mamy qS(i∗ y, (n − i) ∗ a) = fi,i(y). Rozważmy (n + 1)-elementowy ciąg x = (i ∗ y, (n − i) ∗ a, fi,i(y)+ε) dla dowolnego ε > 0. Jeśli fi,i(y)­ y, to dodawany element będzie największym elementem w x. Aby więc qS(x) > qS(x), to musi zachodzić (a) f1,n+1(fi,n(y) + ε) > fi,n(y) lub (b) fj+1,n+1(y) >

fi,n(y) dla pewnego j ∈ [i] bądź (c) fk+1,n+1(a) > fi,n(y) dla pewnego k > i. Zauważmy jednak, że zajście przypadku (b) lub (c) implikuje, że fi+1,n+1(y) > fi,n(y), a ten warunek w tym przypadku wystarcza.

Z drugiej strony, gdy fi,i(y) < y, to dodawany element będzie (n + 1− (i + 1)− 1) = (n − i + 1)-tą statystyką pozycyjną w x, tzn. znajdzie się po n elementach równych y. Zetem w tym przypadku musi koniecznie zachodzić (a) fi+1,n+1(fi,n(y) + ε) > fi,n(y) lub (b) fi,n+1(y) > fi,n(y) (inne przypadki sprowadzają się do tych dwóch).

(⇐=) Nietrudno pokazać, że w świetle przyjętych założeń podany wa-runek jest także wystarczający dla P(F+).

3.4.5 Inne funkcje wpływu

Na zakończenie niniejszego rozdziału, dokonajmy analizy porównawczej kilku najbardziej interesujących funkcji wpływu zdefiniowanych w rozdziale 2.

Niech

Prod(x) = |x| − 1 (3.30)

oraz (por. tw. 2.4.23)

SN=

_n

i=1

i∧ x(n−i+1). (3.31)

W tablicy 3.2 wymieniamy, które z wybranych operatorów agregacji spełniają omawiane w rozdz. 3 własności. Ograniczamy się do przypadku I = [0, ∞], jako najczęściej pojawiającego się w zastosowaniach praktycznych.

Tablica 3.2: Analiza porównawcza wybranych funkcji wpływu dla I = [0, ∞].

Własność Prod Max Sum H G r1 l(g) SN

P(cont) X X X X X

P(sinc) X

P(sainc) X

P(idm) X

P(idma) X X X

P(a0) X X X X X X

P(F0) X X X

P(F+) X X X X

P(sat) X X X X X

P(sat+) X X X X X

Obserwujemy między innymi, że żadna z powyższych funkcji nie spełnia wszystkich przedstawionych własności na raz (wiemy, że taka funkcja nie istnieje).

W następnym rozdziale przeprowadzimy m.in. analizę własności stocha-stycznych S-statystyk.

W dokumencie systemu oceny jakości w nauce (Stron 89-99)