层次分析法课件.ppt

1、层次分析法层次分析法Analytic Hierarchy Process AHPT.L.saaty层次分析法建模层次分析法建模一一 问题的提出问题的提出例例1 1 购物购物 买钢笔，一般要依据质量、颜色、实用性、买钢笔，一般要依据质量、颜色、实用性、价格、外形等方面的因素选择某一支钢笔。价格、外形等方面的因素选择某一支钢笔。买饭，则要依据色、香、味、价格等方面的买饭，则要依据色、香、味、价格等方面的因素选择某种饭菜。因素选择某种饭菜。决策是指在面临多种方案时需要依据一定决策是指在面临多种方案时需要依据一定的标准选择某一种方案。的标准选择某一种方案。假期旅游，是去风光秀丽的苏州，还是去迷假期旅游

2、，是去风光秀丽的苏州，还是去迷人的北戴河，或者是去山水甲天下的桂林，一般人的北戴河，或者是去山水甲天下的桂林，一般会依据景色、费用、食宿条件、旅途等因素选择会依据景色、费用、食宿条件、旅途等因素选择去哪个地方。去哪个地方。例例3 3 择业择业面临毕业，可能有高校、科研单位、企业面临毕业，可能有高校、科研单位、企业等单位可以去选择，一般依据工作环境、工资等单位可以去选择，一般依据工作环境、工资待遇、发展前途、住房条件等因素择业。待遇、发展前途、住房条件等因素择业。由于经费等因素，有时不能同时开展几个课由于经费等因素，有时不能同时开展几个课题，一般依据课题的可行性、应用价值、理论价题，一般依据课题

3、的可行性、应用价值、理论价值、被培养人才等因素进行选题。值、被培养人才等因素进行选题。面临各种各样的方案，要进行比较、判断、评价、面临各种各样的方案，要进行比较、判断、评价、最后作出决策。这个过程主观因素占有相当的比重给用最后作出决策。这个过程主观因素占有相当的比重给用数学方法解决问题带来不便。数学方法解决问题带来不便。T.L.saatyT.L.saaty等人在等人在2020世纪世纪七十年代提出了一种能有效处理这类问题的实用方法七十年代提出了一种能有效处理这类问题的实用方法。例例4 科研课题的选择科研课题的选择 层次分析法（层次分析法（Analytic Hierarchy Process,An

4、alytic Hierarchy Process,AHP)AHP)这是一种定性和定量相结合的、系统化的、层这是一种定性和定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法。次化的分析方法。过去研究自然和社会现象主要有机理分析法和统计分机理分析法和统计分析法析法两种方法，前者用经典的数学经典的数学工具分析现象的因果关系，后者以随机数学随机数学为工具，通过大量的观察数据寻求统计规律。近年发展的系统分析是又一种方法，而层次分析法层次分析法是系统分析的数学工具之一。层次分析法的基本思路：与人们对某一复杂决策问题的思维、判断过程大体一致。选择钢笔质量、颜色、价格、外形、实用钢笔1、钢笔2、钢笔3、钢笔4质量、颜色

5、、价格、外形、实用进行排序将各个钢笔的质量、颜色、价格、外形、实用进行排序经综合分析决定买哪支钢笔二二 层次分析法的基本步骤层次分析法的基本步骤买钢笔买钢笔质量质量颜色颜色价格价格外形外形实用实用可供选择的笔可供选择的笔1 1 建立层次结构模型建立层次结构模型 一般分为三层，最上面为目标层目标层，最下面为方案层方案层，中间是准则层或指标层准则层或指标层。例1 的层次结构模型 准则层 方案层目标层选择旅游地景色费用居住饮食旅途苏州、杭州、桂林例2 层次结构模型层次结构模型 准则层A 方案层B目标层Z若上层的每个因素都支配着下一层的所有因素，或被下一层所有因素影响，称为完全层次结构，否则称为不完全

6、层次结构。设某层有个因素，nnxxxX,21ijaijjiijaa1 nnnnnnnnijaaaaaaaaaaA212222111211An2 2 构造成对比较矩阵构造成对比较矩阵要比较它们对上一层某一准则（或目标）的影响程度，确定在该层中相对于某一准则所占的比重。（即把个因素对上层某一目标的影响程度排序）用 表示第个因素相对于第个因素的比较结果，则则称为成对比较矩阵成对比较矩阵。上述比较是两两因素之间进行的比较，比较时取1919尺度。尺度。尺度第 个因素与第 个因素的影响相同ij第 个因素比第 个因素的影响稍强 第 个因素比第 个因素的影响强 第 个因素比第 个因素的影响明显强第 个因素比第

7、 个因素的影响绝对地强 iiiijjjj含义比较尺度比较尺度：（：（1919尺度的含义）尺度的含义）2,4,6,8表示第个因素相对于第个因素的影响介于上述两个相邻等级之间。不难定义以上各尺度倒数的含义，根据。jijiijaa1由上述定义知，成对比较矩阵 nnijaA 0 1ijajiijaa1 2则称为正互反阵正互反阵。比如，例2的旅游问题中，第二层A A的各因素对目标层Z Z的影响两两比较结果如下：满足以下性质ZA1A2A3A4A5A1A2A3A4A511/2433217551/41/711/21/31/31/52111/31/53111 3iia54321,AAAAA分别表示景色、费用、居

8、住、饮食、旅途。由上表，可得成对比较矩阵 1135131112513131211714155712334211A旅游问题的成对比较矩阵共有6个（一个5阶，5个3阶）。问题：问题：两两进行比较后，怎样才能知道，下层各因素对上层某因素的影响程度的排序结果呢？3 层次单排序及一致性检验层次单排序及一致性检验nnwww,21层次单排序：层次单排序：确定下层各因素对上层某因素影响程度的过程。确定下层各因素对上层某因素影响程度的过程。用权值表示影响程度，先从一个简单的例子看如何确定权值。例如 一块石头重量记为1，打碎分成 各小块，各块的重量分别记为：则可得成对比较矩阵 11121212121wwwwwww

9、wwwwwAnnnn由右面矩阵可以看出，jkkijiwwwwww 即，nji,2,1,1321231321234,2,7aaaaaa Aijkjikaaa ijkjikaaa Anjiaaaiijiij,2,1,1,1 .1也是一致阵TA .2 1 .3ArankA的各行成比例，则但在例2的成对比较矩阵中，在正互反矩阵 中，若 ,则称 为一致阵。一致阵的性质：。特征根均等于个其余的最大特征根（值）为0 1,.4n-n AA5.的任一列(行)都是对应于特征根 的特征向量。n作业作业若成对比较矩阵是一致阵，则我们自然会取对应于最大特征根 的归一化特征向量 ，且定理定理：阶互反阵 的最大特征根 ，当

10、且仅 当 时，为一致阵。Annwww,2111 niiwiwinnn A表示下层第 个因素对上层某因素影响程度的权值。若成对比较矩阵不是一致阵，SaatySaaty等人建议用其最大特征根对应的归一化特征向量作为权向量 ，则wwwAnwww,21w（为什么？）这样确定权向量的方法称为特征根法特征根法.1nnCI由于 连续的依赖于 ，则 比 大得越多，的不一致性越严重。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，其不一致程度越大，引起的判断误差越大。因而可以用 数值的大小来衡量 nijanAA的不一致程度。定义一致性指标一致性指标其中 为 的对角线元素之和，也为 的特征根

11、之和。AnARI50021,AAA50021,CICICI15005005002150021nnCICICIRI则可得一致性指标 定义随机一致性指标随机一致性指标随机构造500个成对比较矩阵随机一致性指标 RI 的数值：n1234567891011RI000.580.901.121.241.321.411.451.491.511.0RICICRAA一致性检验一致性检验：利用一致性指标和一致性比率0.1及随机一致性指标的数值表，对 进行检验的过程。一般，当一致性比率 的不一致程度在容许范围之内，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，对 加以调整。时，认为A4 4 层次总排序

12、及其一致性检验层次总排序及其一致性检验 确定某层所有因素对于总目标相对重要性的排序权值过程，确定某层所有因素对于总目标相对重要性的排序权值过程，称为层次总排序层次总排序 从最高层到最低层逐层进行。设：Z1A2AmA1B2BnB,21mAAAmA个因素层对总目标Z的排序为maaa,21jAAnB中因素为个因素对上层层的层次单排序为),2,1(,21mjbbbnjjj即 层第 个因素对总目标的权值为：BnmmnnnmmmmbababaBbababaBbababaB22112222211211221111:Bimjijjba1层的层次总排序为：B层的层次总排序mAAA,21maaa,21nBBB21

13、12111nbbb22212nbbbnmmmbbb21AB111bbamjjj212bbamjjjnmjnjjbba1层次总排序的一致性检验层次总排序的一致性检验设 层 对上层(层)中因素 的层次单排序一致性指标为 ，随机一致性指为 ，则层次总排序的一致性比率为：BnBBB,21A),2,1(mjAjjCIjRImmmmRIaRIaRIaCIaCIaCIaCR221122111.0CR当 时，认为层次总排序通过一致性检验。到此，根据最下层（决策层）的层次总排序做出最后决策。1.1.建立层次结构模型建立层次结构模型 该结构图包括目标层，准则层，方案层。层次分析法的基本步骤基本步骤归纳如下3.计算

14、单排序权向量并做一致性检验计算单排序权向量并做一致性检验2.构造成对比较矩阵构造成对比较矩阵从第二层开始用成对比较矩阵和19尺度。对每个成对比较矩阵计算最大特征值及其对应的特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过，特征向量（归一化后）即为权向量；若不通过，需要重新构造成对比较矩阵。计算最下层对最上层总排序的权向量。4.4.计算总排序权向量并做一致性检验计算总排序权向量并做一致性检验1.0CRCR进行检验。若通过，则可按照总排序权向量表示的结果进行决策，否则需要重新考虑模型或重新构造那些一致性比率 较大的成对比较矩阵。mmmmRIaRIaRIaCIaCIaCI

15、aCR22112211利用总排序一致性比率三三层次分析法建模举例层次分析法建模举例一、旅游问题一、旅游问题Z1A2A3A4A5A1B2B3B54321,AAAAA321,BBB(1)建模分别分别表示景色、费用、居住、饮食、旅途。分别表示苏杭、北戴河、桂林。（2）构造成对比较矩阵1135131112513131211714155712334211A1215121215211B1383113813112B131313113113B114111314314B144411141115B(3)计算层次单排序的权向量和一致性检验A073.5110.0 ,099.0 ,055.0 ,475.0 ,263.0

16、018.0155073.5CI12.1RI1.0016.012.1018.0CRA成对比较矩阵 的最大特征值表明 通过了一致性验证。故则该特征值对应的归一化特征向量 对成对比较矩阵 可以求层次总排序的权向量并进行一致性检验，结果如下：54321,BBBBBk1k2k3kkkCIkRI12345595.0082.0429.0633.0166.0277.0236.0429.0193.0166.0129.0682.0142.0175.0668.0005.3002.33009.33003.0001.000005.058.058.058.058.058.0计算 可知 通过一致性检验。kCR54321,B

17、BBBB对总目标的权值为：1B3.0110.0166.0099.0633.0055.0429.0475.0082.0263.0595.032,BB,456.0 ,246.0456.0 ,246.0 ,3.01.0015.058.0/)0110.0005.0099.00055.0001.0475.0003.0263.0(CR（4）计算层次总排序权值和一致性检验又决策层对总目标的权向量为：同理得，对总目标的权值分别为：故，层次总排序通过一致性检验。可作为最后的决策依据。456.0 ,246.0 ,3.0213BBB321,BBB故最后的决策应为去桂林桂林。又 分别表示苏杭、北戴河、桂林，即各方案的

18、权重排序为层次分析法层次分析法Analytic Hierarchy Process AHPT.L.saaty1.1.建立层次结构模型建立层次结构模型 该结构图包括目标层，准则层，方案层。层次分析法的基本步骤基本步骤归纳如下3.计算单排序权向量并做一致性检验计算单排序权向量并做一致性检验2.构造成对比较矩阵构造成对比较矩阵从第二层开始用19尺度构造成对比较矩阵。4.4.计算总排序权向量并做一致性检验计算总排序权向量并做一致性检验求最大特征对应的归一化特征向量，做一致性比率检验。利用层次单排序，计算层次总排序，并做一致性检验。某工厂有一笔企业留成利润，要由领导决定如何利用。可供选择的方案有：以奖金

19、名义发给职工；扩建集体福利设施；购进新设备等。为了进一步促进企业发展，比如调动职工的积极性、提高企业的技术水平、引进新设备等。如何合理使用这笔利润。2 合理分配资金问题合理分配资金问题合理分配资金问题合理分配资金问题层次结构模型合理利用企业利润 Z调动职工的积极性C1提高企业的技术水平C2改善职工的生活条件C3 发奖金P1 扩建福利事业P2 引进新设备P3 2 求解Z-C矩阵矩阵Z C1 C2 C3 WC1C2C3 1 1/5 1/3 5 1 3 3 1/3 10.1050.6370.258CIRICR3.0380.0190.580.00330.1OKC-P矩阵矩阵C1 P1 P2 WP1P2

20、 1 3 1/3 1 0.750.25CI1RI200OKC2 P2 P3 WP2P3 1 1/5 5 1 0.1670.833CI2RI200OK0.75,0.25,00,0.167,0.833C3 P1 P2 WP1P2 1 2 1/2 1 0.6670.333CI3RI200OK0.667,0.333,0Z-P矩阵矩阵 ZP C1 C2 C30.105 0.637 0.258总排序权值总排序权值P1P2P30.75 0 0.6670.25 0.167 0.333 0 0.833 00.2510.2180.531CIRICR0.105CI1+0.637CI2+0.258CI3=000P1P

21、21 系统性 层次分析法把研究对象作为一个系统，按照分解、比较判断、综合的思维方式进行决策，成为继机理分析、统计分析之后发展起来的系统分析的重要工具。2 实用性 层次分析法把定性和定量方法结合起来，能处理许多用传统的最优化技术无法着手的实际问题，应用范围很广，同时，这种方法使得决策者与决策分析者能够相互沟通，决策者甚至可以直接应用它，这就增加了决策的有效性。四四 层次分析法的优点和局限性层次分析法的优点和局限性3 简洁性 具有中等文化程度的人即可以了解层次分析法的基本原理并掌握该法的基本步骤，计算也非常简便，并且所得结果简单明确，容易被决策者了解和掌握。以上三点体现了层次分析法的优点，该法的局

22、限性主要表现在以下几个方面：第一第一 只能从原有的方案中优选一个出来，没有办法得出更好的新方案。第二第二 该法中的比较、判断以及结果的计算过程 都是粗糙的，不适用于精度较高的问题。第三第三 从建立层次结构模型到给出成对比较矩 阵，人主观因素对整个过程的影响很大，这就使得结果难以让所有的决策者接受。当然采取专家群体判断的办法是克服这个 缺点的一种途径。思考：思考：多名专家的综合决策问题多名专家的综合决策问题正互反阵的最大特征值是大与零的吗？有几个？它对应的特征向量各分量是正的吗？五五 正互反阵最大特征值和特征向量实用算法正互反阵最大特征值和特征向量实用算法成对比较矩阵是通过定性比较得到的比较粗糙

23、的结果，对它的精确计算是没有必要的。寻找简便的近似方法。用定义计算矩阵的特征值和特征向量相当困难，特别是阶数较高时。定理定理对于正矩阵 A（A的所有元素为正）1）A 的最大特征根为正单根 ；2）对应正特征向量 w（w的所有分量为正）；3）weAeeAkTkklim其中T,)(111 ew是对应 的归一化特征向量。1 幂法幂法 步骤如下a)任取 n 维归一化初始向量)(0wb)计算,)()(211kkkAww)(1kwc)归一化，即令nikikkw1111)()()(/wwd)对于预先给定的精度 ，当下式成立时n,iwwkiki,21 )()1()(1kw即为所求的特征向量；否则返回b；e)计算

24、最大特征值nikikiwwn111)()(这是求特征根对应特征向量的迭代方法迭代方法，其收敛性由定理的3）保证。2 和法和法 步骤如下a)将A的每一列向量归一化得b)对c)归一化niijijijaaw1/ijw按行求和得njijiww1Tnwww),(21wniiiiwww1/Tnwww),(21wd)计算Aw3 根法根法步骤与和法基本相同，只是将步骤 b 改为对ijw按行求积并开n次方，即nijniiww11三方法中，和法最为简便。看下列例子。e)计算niiiwn11)(Aw，最大特征值的近似值。141614121621/A列向量归一化0910077010364030803054506150

25、60.求和268097207601.归一化w089032405870.精确计算，得0133 0900 3220 5880.),.,.,.(w268097407691.Aw009308902680324097405870769131.).(六六 递阶层次结构与更复杂的层次结构递阶层次结构与更复杂的层次结构 以上层次结构模型有两个共同特点：l模型所涉及的各因素可以组合为属性基本相同的若干层次，层次内部因素之间不存在相互影响或支配作用，或者这种影响作用可以忽略。l层次之间存在自上而下、逐层传递的支配关系，没有下层对上层的反馈作用，或层次间的循环作用。l层次内部因素之间存在相互影响。l下层对上层有支配

26、作用，形成循环，无法区分上下层。l既在层次内部因素之间存在相互影响，又在层次间存在反馈作用。要用层次分析法解决这样的问题，还需引入新概念，并建立相应的算法。思考七七 练习练习China Undergraduate Mathematical Contest in China Undergraduate Mathematical Contest in ModelingModeling2 2 用层次分析法解决一两个实际问题用层次分析法解决一两个实际问题如：高考填报志愿问题，选择职业问题，排名（排序）问题。1 足球队排名次（足球队排名次（CUMCM）1993年年 B 题题择业择业面临毕业，可能有高校、

27、科研单位、企业面临毕业，可能有高校、科研单位、企业等单位可以去选择，也可直接选择考研，一般等单位可以去选择，也可直接选择考研，一般依据工作环境、工资待遇、发展前途、住房条依据工作环境、工资待遇、发展前途、住房条件等因素择业。用层次分析法，选择适合自己件等因素择业。用层次分析法，选择适合自己的理想工作。的理想工作。课堂练习：课堂练习：补充：特征值与特征向量补充：特征值与特征向量定义定义：使关系式维非零列向量和如果数阶矩阵，为设 xnnAxAx成立，则称数 为方阵 的特征值（根）特征值（根），非零列向量 称为属于特征值 的特征向量特征向量。Ax特征值满足的条件特征值满足的条件：0 xAx0 ExA

28、x0)(xEA齐次线性方程组齐次线性方程组有非零解的充分必要条件是0 EA0 EA0212222111211nnnnnnaaaaaaaaaEAA A 的特征方程的特征方程A A 的特征多项式的特征多项式记为EAf)(表示 的n 次多项式，在复数范围内有n 个解，即有n 个特征值。设 A 的特征值为n,21则)()1221121nnnaaaAn21 )2特征值和特征向量的计算方法特征值和特征向量的计算方法给定矩阵A先求其特征值，即解特征方程0 EAn,21再求对应于各特征值的特征向量，即解线性齐次方程组0)(xEAi的非零解 。（注：若 为实数，则 为实向量，若 为复数，则 为复向量）ipiip

29、iip定理定理2 2 对于正矩阵 A(A的所有元素为正)，1）A 的最大特征值是正单根；2）最大特征值对应有特征向量所有分量为正的特征向量。定理定理1 1 属于不同特征值的特征向量线性无关。正向量的归一化向量正向量的归一化向量),(21naaa为正向量，它的归一化向量是),(12121nnaaaaaa)2,5,2,1(归一化)2.0 ,5.0 ,2.0 ,1.0(有关定理有关定理例例1 1 求3113A的特征值和特征向量。解：03113004113EA01)3(2134 ,221210)(xEAi0)2(xEA00111121xx021 xx21xx 基础解系为111p则属于2的特征向量为0)

30、(k 1111k420)(xEAi0)4(xEA00111121xx021xx21xx基础解系为112p则属于4的特征向量为0)(k 1111k求非负向量归一化向量111p5.05.01121p一般地，nnaaaaaap21211例例2 2 求201034011A的特征值和特征向量。解：0201034011EA04)3)(1)(2(0)12)(2(21 ,2321210)(xEAi0)2(xEA000001014013321xxx013014001001014013000010001010010001,2)(ARank因此，解空间的维数为 3-2=13-2=1即，基础解系为1001p则属于2的

31、特征向量为0)(k 10011k1320)(xEAi0)1(xEA000101024012321xxx101024012012024101210420101000210101,2)(ARank因此，解空间的维数为 3-2=13-2=1000000210101321xxx031 xx0232xx基础解系为1212p则属于1的特征向量为)(kk012122例例3 3 求的特征值和特征向量。解：EA04)3)(2)(2(0)2)(2(22 ,1321110)(xEAi0)(xEA314020112A314020112 EA414030111414030111030030111000010101000000010101321xxx031 xx02x基础解系为1011p则属于-1的特征向量为)(kk0101112320)(xEAi0)2(xEAEA2114000114000000114,1)(ARank因此，解空间的维数为 3-1=23-1=204321xxx基础解系为4012p1103p则属于2的全部特征向量为不全为零）（3232,110401kk kk