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Recentes Avanços em Sistemas Fuzzy Editores: Marcos Eduardo Ribeiro do Valle Mesquita Graçaliz Pereira Dimuro Regivan Hugo Nunes Santiago Estevão Esmi Laureano ISBN: 978-85-8215-079-5 Campinas - SP, Novembro de 2016. Sociedade Brasileira de Matemática Aplicada e Computacional Recent Trends on Fuzzy Systems Editors: Marcos Eduardo Ribeiro do Valle Mesquita Graçaliz Pereira Dimuro Regivan Hugo Nunes Santiago Estevão Esmi Laureano ISBN: 978-85-8215-079-5 Campinas - Brazil, November 2016. Sociedade Brasileira de Matemática Aplicada e Computacional Prefácio O termo sistema fuzzy usado nessa obra compreende sistemas computacionais ou sistemas teóricos basea- dos na lógica fuzzy ou conjuntos fuzzy. Tal como a lógica fuzzy, conjuntos fuzzy são usados para descrever conceitos vagos ou incertos comuns na linguagem natural. Este livro biĺıngue contém alguns dos recentes avanços na área de sistemas fuzzy, uma área de pesquisa ativa e crescente no cenário mundial. Especificamente, essa obra contém 45 contribuições escritas ou em português ou em ĺıngua inglesa. Todas as contribuições foram avaliadas por um comitê cient́ıfico que atestou a relevância das mesmas. Além disso, elas foram selecioadas para serem apresentadas na forma oral durante o Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF), realizado em Novembro de 2016, na cidade de Campinas – São Paulo, Brasil. O IV CBSF reuniu 121 participantes, incluindo palestrantes e membros da comissão organizadora, divididos entre professores, estudantes e profissionais interessados em sistemas fuzzy. O congresso contou com 6 palestras, 4 mini-cursos e diversas sessões técnicas nos quais os trabalhos aprovados pelo comitê cient́ıfico foram apresentados na forma oral ou pôster. Durante a chamada de trabalhos do IV CBSF, foram submetidas 102 contribuições distribúıdas entre 52 trabalhos completos e 50 resumos estendidos. Cada trabalho completo foi avaliado por pelo menos dois revisores anônimos que, de um modo geral, atribúıram uma nota no conjunto {−3,−2,−1, 0,+1,+2,+3}, no qual -3 representa “rejeita enfaticamente” e +3 corresponde à “aceita enfaticamente”. Foram aceitos somente os trabalhos completos que receberam notas positivas de todos os revisores. Com isso, foram selecionados 45 contribuições, que corresponde à uma taxa de rejeição de 13%. Os 45 trabalhos completos foram organizados em 12 temas tal como esse livro. Aproveitamos a oportunidade para agradecer a todos envolvidos no IV CBSF: os palestrantes que dedicaram seu tempo compartilhando seus conhecimentos conosco, os responsáveis pelos mini-cursos que divulgaram de forma brilhante temas relacionados a sistemas fuzzy, os autores que submeteram suas con- tribuições, os membros do comitê cient́ıfico que avaliaram os trabalhos e a todos os membros da comissão organizadora. Agradecemos também à Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e ao Instituto de Matemática, Estat́ıstica e Computação Cient́ıfica (IMECC) pela realização do IV CBSF, à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nı́vel Superior (CAPES) e à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo suporte financeiro e ao apoio das sociedades SBMAC, SBIC, SBA, NAFIPS, IFSA e EUSFLAT. Campinas, Novembro de 2016. Marcos Eduardo Ribeiro do Valle Mesquita Coordenador Geral do IV CBSF Foreword The term fuzzy system used in this book comprises computational systems or theoretical systems based on fuzzy logic or fuzzy sets. Like fuzzy logic, fuzzy sets are used to describe vague or uncertain concepts common in natural language. This bilingual book contains some of the recent trends in the area of fuzzy systems, an active and growing research area. Specifically, this book contains 45 contributions written in either Portuguese or English. All the contributions were evaluated by a scientific committee that proved their relevance. In addition, they were selected to be presented orally during the Fourth Brazilian Congress of Fuzzy Systems (IV CBSF), held in November 2016, in the city of Campinas – São Paulo, Brazil. The IV CBSF brought together 121 participants, including speakers and members of the organizing committee, divided among teachers, students, and professionals interested in fuzzy systems. The congress counted on 6 lectures, 4 tutorials, and several technical sessions in which the works approved by the scientific committee were presented either orally or by poster. For the call for papers of the IV CBSF, 102 contributions distributed as 52 full papers and 50 extended abstracts were submitted. Each full paper was evaluated by at least two anonymous referees who generally assigned a grade in the set {−3,−2,−1, 0,+1,+2,+3}, in which -3 represents “strong reject” and +3 corresponds to “strong accept”. Only the full papers that received positive grade from all the reviewers were accepted. As a consequence, 45 contributions were selected, corresponding to a rate of rejection of 13%. The 45 selected full papers were organized in 12 subjects such as this book. We took the opportunity to thank everyone involved in the IV CBSF: the speakers who dedicated their time sharing their knowledge with us, those responsible for the tutorials that brilliantly spread topics related to fuzzy systems, the authors who submitted their contributions, the scientific committee who evaluated the work and all members of the organizing committee. We also thank the University of Campinas (Unicamp) and the Institute of Mathematics, Statistics and Scientific Computation (IMECC) for the accomplishment of the IV CBSF, CAPES and FAPESP for the sponsorship, and the support of the societies SBMAC, SBIC, SBA, NAFIPS, IFSA and EUSFLAT. Campinas, November 2016. Marcos Eduardo Ribeiro do Valle Mesquita General Chair of IV CBSF Organização / Organization Comissão Organizadora / Steering Committee Marcos Eduardo Valle (Unicamp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coordenador Geral / General Chair. Estevão Esmi (Unicamp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Vice-coordenador Geral / General Co-chair. Graçaliz Dimuro (UFRG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coordenadora Cient́ıfica / Program Chair. Regivan Santiago (UFRN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vice-coordenador Cient́ıfico / Program co-chair. Organização Geral e Colaboradores / General Coordination and Collaborators Adrião Doria Neto, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Benjamin Bedregal, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Eduardo Palmeira, Universidade Estadual de Santa Cruz. Estevão Esmi, Universidade Estadual de Campinas. Fernando Gomide, Universidade Estadual de Campinas. Graçaliz Dimuro, Universidade Federal do Rio Grande. José Arnaldo Roveda, Universidade Estadual Paulista. Laecio Barros, Universidade Estadual de Campinas. Luciana Gomes, Universidade Federal de São Carlos. Magda Peixoto, Universidade Federal de São Carlos. Marcos Eduardo Valle, Universidade Estadual de Campinas. Regivan Santiago, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Ricardo Coelho, Universidade Federal do Ceará. Ricardo Tanscheit, Pontif́ıcia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Ronei Moraes, Universidade Federal da Paráıba. Rosana Jafelice, Universidade Federal de Uberlândia. Sandra Sandri, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Sérgio Meriga, Pontificia Universidad Católica de Chile. Santiago - Chile. Weldon Lodwick, University of Colorado, Denver - Estados Unidos da América. Avaliadores / Referees Adrião Duarte, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Alexsandra Andrade, Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia. André Lemos, Universidade Federal de Minas Gerais. Antônio Diego Silva Farias, Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Benjamin Bedregal, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. David Correa Martins Jr, Universidade Federal do ABC. EmmanuellyMonteiro, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Estevão Esmi Laureano, Universidade Estadual de Campinas. Fagner Santana, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Fernando Gomide, Universidade Estadual de Campinas. Flaulles Bergamaschi, Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia. Francisco de Carvalho, Universidade Federal do Pernambuco. Graçaliz Dimuro, Universidade Federal do Rio Grande. Guilherme Barreto, Universidade Federal do Ceará. Helida Santos,Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Heloisa Camargo, Universidade Federal de São Carlos. Humberto Bustince, Universidad Pública de Navarra - Espanha. Ing Ren Tsang, Universidade Federal do Pernambuco. Ivan Mezzomo, Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Javier Fernandez, Universidad Pública de Navarra - Espanha. João Alcantara, Universidade Federal do Ceará. Jose Alfredo Ferreira Costa, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Jose Arnaldo Roveda, Universidade Estadual Paulista. Laécio C. Barros, Universidade Estadual de Campinas. Liliane Silva, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Magda Peixoto, Universidade Federal de São Carlos. Marcos Eduardo R. Valle Mesquita, Universidade Estadual de Campinas. Marilton Sanchotene de Aguiar, Universidade Federal de Pelotas. Marina Tuyako Mizukoshi, Universidade Federal de Goiás. Mario Benevides, Universidade Federal do Rio de Janeiro. Márjory Da Costa-Abreu, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Marley Vellasco, Pontif́ıcia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Michal Baczynski, University of Silesia - Polônia. Myriam Delgado, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Paulo Almeida, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. Peter Sussner, Universidade Estadual de Campinas. Regivan Santiago, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Renata Reiser, Universidade Federal de Pelotas. Ricardo Tanscheit, Pontif́ıcia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Ronei Moraes, Universidade Federal do Paráıba. Sandra Regina Monteiro Masalskiene Roveda, Universidade Estadual Paulista. Sandra Sandri, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Vilem Novak, University of Ostrava - República Checa. Weldon Lodwick, University of Colorado - Estados Unidos da América. Realização / Realization Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) Instituto de Matemática, Estat́ıstica e Computação Cient́ıfica (IMECC) Suporte Financeiro / Sponsors Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nı́vel Superior (CAPES) Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) Apoio / Support Sociedade Brasileira de Matemática Aplicada e Computacional (SBMAC) Sociedade Brasileira de Inteligência Computacional (SBIC) Sociedade Brasileira de Automática (SBA) North American Fuzzy Information Processing Society (NAFIPS) European Society for Fuzzy Logic and Technology (EUSFLAT) International Fuzzy Systems Association (IFSA) Sumário / Table of Contents I Matemática Intervalar e Extensões de Conjuntos Fuzzy / Interval-valued Mathematics and Extensions of Fuzzy Sets Prediction of the Economically Active Population Index Using Interval-Valued Fuzzy Associative Memories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Tiago Schuster and Peter Sussner Transformações de Matrizes Intervalares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Guilherme Andrade, Gildson de Jesus and Eduardo Palmeira Produto de Kronecker para Matrizes Intervalares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Rudhero Dos Santos, Gildson de Jesus and Eduardo Palmeira Atanassov’s Intuitionistic Fuzzy Entropy: Conjugation and Duality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Lidiane Costa, Alice Finger, Mateus Nascimento, Monica Matzenauer, Rosana Zanotelli, Renata Hax Sander Reiser, Adenauer Yamin and Mauŕıcio Pilla II Reconhecimento de Padrões e Otimização Flex́ıvel / Pattern Recognition and Flexible Optimization Pattern recognition based on soft boundaries: a proposal applied to tree species identification from texture in trunk images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Adriano Bressane, José Arnaldo Frutuoso Roveda, Antonio Cesar Germano Martins and Sandra Regina Monteiro Masalskiene Roveda Assessment of Poisson Naive Bayes Classifier with Fuzzy Parameters Using Data from Different Statistical Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Elaine Anita de Melo Gomes Soares and Ronei Marcos de Moraes O Problema da Árvore Geradora Mı́nima Fuzzy: um algoritmo para o caso envolvendo incertezas nos pesos das arestas e na estrutura da rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Fábio Hernandes and Cassiano Sampaio III Lógica Fuzzy e Matemática Fuzzy / Fuzzy Logic and Fuzzy Mathematics New results about De Morgan triples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Ivan Mezzomo and Benjamı́n Bedregal A theorem to construct fuzzy subsethood measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Helida Santos, Benjamin Bedregal, Regivan Santiago, Humberto Bustinceand Edurne Barrenechea Diferentes Abordagens à Teoria de Possibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Estevão Esmi and Laécio C. Barros Notas sobre Fuzzy x Probabilidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Laécio C. Barros and Estevão Esmi IV Tomada de Decisão / Decision Making Lógica Fuzzy Aplicada na Avaliação da Satisfação de Usuários de Sistemas de Gestão . . . . . . . . . . . 133 Alisson Marques Silva, Edilson Hélio Santana and Marco Antônio Pinheiro Silveira Fuzzy system for indicating the fuel quantity in the sintering process of products ceramic . . . . . . . . 145 Antônio Eudson Costa Cabó, Rommel Wladimir de Lima, Danniel Cavalcante Lopes, Emerson de Andrade Lima Prinćıpio de Extensão Multivariável de Zadeh para a Variável de Decisão de um Plano de Radioterapia de Intensidade Modulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Ana Maria Bertone and Rosana Sueli Da Motta Jafelice Tomadas de Decisões Fuzzy Através da Inferência de Larsen para o Diagnóstico dos Indicadores de QEE: DTHV, DTHI, FP, VTRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Diego Nolasco and Eduardo Palmeira V Sistemas Dinâmicos e Análise Fuzzy / Fuzzy Dynamic Systems and Fuzzy Analysis Uma Análise de Bifurcação de Hopf Fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Marina T. Mizukoshi and Moiseis Dos S. Cecconello Um estudo sobre derivada lateral interativa fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Francielle Santo Pedro, Estevão Esmi and Laécio C. Barros Autômatos Lineares Fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Valdigleis Costa and Benjamı́n Bedregal Ensaios do Método de Elementos Finitos com Integral Fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Daniel Ibanez, Luana Bassani, Laecio Barros and Estevão Laureano VI Sistemas Evolucionários e Suporte a Decisão / Evolutionary Systems and Decision Making Algoritmo evolucionário com inspiração quântica para śıntese de sistemasde classificação fuzzy . . . 229 Waldir Nunes, Marley Vellasco and Ricardo Tanscheit Sistema de Inferência Fuzzy para Diagnóstico de Desempenho de Turbinas a Gás Aeronáuticas . . . 242 Tairo Teixeira, Ricardo Tanscheit and Marley Vellasco Um sistema inteligente para análise de condição de máquinas rotativas baseado em indicadores de vibração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Thiago Felicio, Marilza Lemos, Marcio Marques and Alexandre Simões VII Processamento de Sinais e Imagens / Image and Signal Processing Type-1 Fuzzy Logic System Applied to Classification of Rail Head Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Eduardo Pestana de Aguiar, Lucas Pereira Verneck Da Silva, Adler Ferreira Moreira, Leonardo Goliatt Da Fonseca, Fernando Marques de Almeida Nogueira, Marley Maria Bernardes Rebuzzi Vellasco, Moises Vidal Ribeiro WOWA image filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 Leonardo Torres, José Carlos Becceneri, Corina Freitas, Sidnei Santanna and Sandra Sandri Peak detection using fuzzy inference systems in gamma-ray spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Bruno Arine, José Arnaldo Roveda, Sandra Roveda and Antonio Martins Adaptive Median and Wiener Filters as Reference Functions for Morphological Associative Memories in Complete Inf-Semilattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 Majid Ali and Peter Sussner VIII Neuro-fuzzy, Robótica e Controle / Neuro-fuzzy, Robotics, and Control Modelagem em Tempo Real do TRMS Usando Rede Neuro-Fuzzy Evolutiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Alisson Marques Silva, Walmir Matos Caminhas, André Paim Lemos and Fernando Gomide Dispositivo Robótico para Assistência à Locomoção de Pessoas Idosas em Ambientes Urbanos . . . . 329 Daniel de Sousa Leite, Karla Figueiredo and Marley Vellasco Seleção de Terrenos para Edificações Comerciais na Cidade do Rio de Janeiro: Aplicação da Lógica Fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Nilson Brandalise, Amanda Sexto Alexandre Pereira and Luiz Carlos Brasil de Brito Mello Controle Fuzzy de um Sistema Auxiliar de Navegação de um Robô Ambiental Hı́brido . . . . . . . . . . . 353 Cristhian Gomez, Marley Vellasco and Ricardo Tanscheit IX Biomatemática Fuzzy / Fuzzy Biomathematics Utilizando Lógica Fuzzy para Modelagem Computacional de Qualidade da Água do Rio Cachoeira, Região Sul da Bahia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Valdex Santos, Francisco B. S. Oliveira and Eduardo S. Palmeira Avaliação da cobertura do solo no entorno de rodovias usando uma abordagem fuzzy baseada no método de inferência de Mamdani . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Felipe Goulart Moraes, André Bairros Peres and Antonio Cesar Germano Martins Matriz de Relações Fuzzy: Aplicações em Questões Ambientais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 Lucirene França, José Roveda and Sandra Roveda Estimativa de Risco e Perigo de Incêndios Florestais Utilizando Subconjuntos Fuzzy, k-NN Fuzzy e Subtractive Clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 Isaac Silva, Diego Gomes, Marcos Valle, Laécio Barros and João Meyer X Medidas Fuzzy e Agregações / Fuzzy Measures and Aggregations Pre-aggregation functions constructed by CO-integrals applied in classication problems . . . . . . . . . . 413 Giancarlo Lucca, Graçaliz Dimuro, José Antonio Sanz, Benjamı́n Callejas Bedregal and Humberto Bustince Funções Mistura Generalizada Construdas via Funções Mistura Generalizada Limitada . . . . . . . . . . 424 Antonio D. Silva Farias, Valdigleis S. Costa, Regivan H. N. Santiago and Benjamı́n Bedregal Aplicação do Defuzzificador para Eventos Fuzzy no Estudo da Evolução da Doença de Chagas . . . . 436 Ricardo Augusto Watanabe, Estevão Esmi Laureano and Laécio Carvalho Barros XI Epidemiologia e Diagnóstico Médico / Epidemiology and Medical Diagnosis Análise da Malária no Estado do Amazonas através de Sistema de Base de Regras Fuzzy . . . . . . . . . 451 Lee Ketlen Costa Farias R. Dos Santos and Roberto Antonio Cordeiro Prata Diagnósticos de Risco da Incidência de Doenças Cardiovasculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 Luana Tais Bassani, Augusto Terranova Rocha and Rodney Carlos Bassanezi Modelo de suporte à decisão baseado em regras fuzzy para casos do dengue na Paráıba entre os anos de 2010 e 2012 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470 José Carlos Da Silva Melo and Ronei Marcos de Moraes Uma proposta de diagnóstico médico por meio de relações fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 Lázaro R. Marins and Magda S. Peixoto XII Inteligência Computacional e Aprendizado de Máquinas / Computational Intelligence and Machine Learning Uma Introdução as Memórias Autoassoaciativas Fuzzy de Projeçõoes Max-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 Alex S. Dos Santos and Marcos Eduardo Valle Memória Associativa Bidirecional Exponencial Fuzzy Generalizada Aplicada ao Reconhecimento de Faces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Aline Cristina Souza and Marcos Eduardo Valle Metodologia para Processamento de Dados para Previsão de Energia e Curva de Carga em Edificações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515 Leandro Gomes and Patŕıcia Jota Modelagem nebulosa c-regressão para combinação de previsões de séries temporais . . . . . . . . . . . . . . 527 Fernanda Cristina Janoele, Leandro Maciel, Rosangela Ballini and Fernando Gomide I Matemática Intervalar e Extensões de Conjuntos Fuzzy Interval-valued Mathematics and Extensions of Fuzzy Sets Prediction of the Economically Active Population Index Using Interval-Valued Fuzzy Morphological Associative Memories Tiago Schuster and Peter Sussner Department of Applied Mathematics, University of Campinas, 13081-970, Campinas, SP, Brazil {ra073785,sussner}@ime.unicamp.br http://www.ime.unicamp.br/ Abstract. The last few decades have witnessed rapid progress in the field of type-2 fuzzy systems and in particular interval type-2 fuzzy sys- tems. Encouraged by this progress, we present in this paper some theoret- ical foundations and applications of interval-valued fuzzy morphological associative memories (IV-FMAMs) as a rule-based system. We perform simulations concerning the application of IV-FMAMs to the prediction of the monthly rate of participation of certain age groups in the work force of the metropolitan area of São Paulo. The performance in terms of mean squared prediction errors of the IV-FMAM approach is then compared with the one of a conventional type-2 fuzzy inference system. 1 Introduction Type-2 fuzzy sets, and in particular interval type-2 fuzzy sets have found a wide variety of applications in engineering, control, computing with words, and approximate reasoning [8,16,17]. Although interval-valued fuzzy sets (IV fuzzy sets) are related to interval type-2 fuzzy sets [2], these concepts are different. In fact, interval-valued fuzzy sets correspond to closed interval type-2 fuzzy sets whose secondary membership functionsare characteristic functions of closed intervals [14]. To our knowledge, all interval type-2 fuzzy systems that have appeared in the literature and are used in practice represent closed interval type-2 fuzzy systems. Like general type-2 fuzzy sets and (closed) interval type-2 fuzzy sets, interval- valued fuzzy sets can be employed to model the inherent uncertainties regarding fuzzy set membership functions. An approach for dealing with interval-valued fuzzy data is given by IV-FMAMs [24], a recent extension of fuzzy morphological associative memories. The latter can be used to implement fuzzy rule-based systems, in particular for applications in time-series prediction [22,27]. In this paper, we apply the proposed IV-FMAM model to the problem of predicting the monthly percentages of participation of certain age groups in the work force of the metropolitan area of São Paulo [4]. Solving this prediction problem may offer decision support for government, industry and trade unions. Fourth Brazilian Conference on Fuzzy Systems (IV CBSF) November 16 - 18, 2016, Campinas – Brazil. 3 The paper is organized as follows. Section 2 provides a brief review of per- tinent notions on lattice theory, L-fuzzy logical operators and L-fuzzy mathe- matical morphology. In Section 3, we present the interval-fuzzy morphological associative memories (IV-FMAMs), that yield associations between IV fuzzy sets. Section 4 describes an application of the IV-FMAMs as rule-based systems to a social index time-series prediction. The results are compared with the ones obtained using a Mamdani(-Assilian) type-2 fuzzy system [13], followed by some concluding remarks. 2 Theoretical background 2.1 Some Relevant Concepts of Lattice Theory and Mathematical Morphology A complete lattice L is a partially ordered set such that every subset X ∈ L has an infimum ∧ X and a supremum ∨ X in L. Recall that a partial order is a reflexive, antisymmetric, and transitive binary relation “≤” [7]. The unit interval [0, 1] with the usual (total) ordering yields an example of a complete lattice. Another example is given by I = {u = [u, u] ⊆ [0, 1]} if we consider the following partial order: u ≤ v ⇔ u ≤ v and u ≤ v . (1) A component-wise partial order can also be defined on Ln by setting (a1, . . . , an) ≤ (b1, . . . , bn)⇔ ai ≤ bi, i = 1, . . . , n. (2) If L is a (complete) lattice, then Ln is also a (complete) lattice. Similarly, we have that if L is a (complete) lattice then the class of functions X → L, LX , is also a (complete) lattice. Here, the partial order on LX is given as follows for all f, g ∈ LX : f ≤ g ⇔ f(x) ≤ g(x) ∀x ∈ X. (3) Let L be a complete lattice and X 6= ∅. The partial order on LX of Equation 3 induces a partial order on FL(X), the class of L-fuzzy sets over the universe X. Recall that an L-fuzzy set A consists of a universe X together with a membership function µA : X → L [6]. For L-fuzzy sets A and B, we have A ≤ B if and only if µA ≤ µB . The class of fuzzy sets over the universe X,F(X), and the class of interval-valued fuzzy sets over the universe X,FI(X), represent particular classes of L-fuzzy sets for particular choices of L. It is well established that complete lattices form an appropriate framework for mathematical morphology (MM) [19,26]. Although MM was originally conceived as a theory for image and signal processing based on geometrical and topological concepts, its operators naturally adhere to the lattice theory as their algebraic framework [10,20]. Fourth Brazilian Conference on Fuzzy Systems (IV CBSF) November 16 - 18, 2016, Campinas – Brazil. 4 In this framework, the basic operators of MM are the (algebraic) erosion, ε : L → M and the (algebraic) dilation, δ : L → M, that satisfies, respectively, the equations below for all M ⊆ L: ε( ∧ M) = ∧ ε(M) and δ( ∨ M) = ∨ δ(M). (4) The concept of an adjunction, that is also known as a monotone or isotone Galois connection [1] plays a very prominent role in MM [10]. Definition 1. A pair (ε, δ) consisting of mappings ε : M→ L and δ : L→M is called an adjunction between M and L if and only if for all x ∈ L and all y ∈M: δ(x) ≤ y ⇔ x ≤ ε(y). (5) If the pair (ε, δ) is an adjunction then ε is an erosion and δ a dilation [11]. 2.2 L-Fuzzy Operators The purpose of this section is to recall the definitions of some morphological operators and matrix products on the complete lattice FL(X) [24]. Let us begin by the definition of L-fuzzy conjunctions and implications [5]: Definition 2. Let L be a complete lattice. – A conjunction on L or L-fuzzy conjunction is defined as an increasing map- ping C : L × L → L that satisfies C(0L, 0L) = C(0L, 1L) = C(1L, 0L) = 0L and C(1L, 1L) = 1L. In particular, a commutative and associative L-fuzzy conjunction T : L × L → L that satisfies T (x, 1L) = x for every x ∈ L is called triangular norm or simply t-norm on L. – An operator I : L × L → L that is decreasing in the first argument and that is increasing in the second argument is called an implication on L or L-fuzzy implication if the equations I(0L, 0L) = I(0L, 1L) = I(1L, 1L) = 1L and I(1L, 0L) = 0L are satisfied. – In the special case where L = I, we speak of interval-valued fuzzy (IV fuzzy) operators, in particular of IV fuzzy conjunctions, t-norms, and implications. Several types of matrix products arise from L-fuzzy operators including the following ones [24]: Definition 3. Given an L-fuzzy conjunction C and an L-fuzzy implication I, the sup-C product of A ∈ Lm×k and B ∈ Lk×n, denoted by E = A ◦C B, and the inf-I product, denoted by G = A ~ B are defined, respectively, for all i = 1, . . . ,m and j = 1, . . . , n, as follows: eij = k∨ ξ=1 C(aiξ, bξj), and gij = k∧ ξ=1 I(bξj , aiξ) . (6) The following proposition holds for every complete lattice L: Fourth Brazilian Conference on Fuzzy Systems (IV CBSF) November 16 - 18, 2016, Campinas – Brazil. 5 Proposition 1 The operator δW : Ln → Lm that are given by δW (x) = W ◦ x, ∀x ∈ Ln. (7) represents a dilation for every W ∈ Lm×n from the complete lattice Ln to the complete lattice Lm if and only if C(w, ·) : L→ L represents a dilation for every w ∈ L. As we shall point out in the next section for the interval-valued case, the output of an interval-valued fuzzy associative memory can be modeled by means of Equation 7. Furthermore, the model given by Equation 7 will be called mor- phological. The next section focuses on interval-valued fuzzy morphological as- sociative memories. 3 Interval-Valued FMAMs In this section we will present an associative memory model for interval-valued fuzzy sets. Consider initiallyX and Y arbitrary universes and {( pξ,qξ ) : ξ ∈ K } ⊆ FI(X)×FI(Y ) a set of pairs or associations, the set {( pξ,qξ ) : ξ ∈ K } is called the fundamental memory set and its elements are called fundamental memories. An IV fuzzy associative memory (IV -FAM) is an input-output system given by a mapping W : FI(X) → FI(Y ) that should ideally satisfy the following conditions [9]: 1. W(pξ) = qξ for all ξ ∈ K; 2. W(p̃ξ) = qξ for p̃ξ ≈ pξ. Since our objective is to employ IV-FAMs in order to implement rule-based systems, it would be more adequate to replace items 1 and 2 with the following condition: p̃ξ ≈ pξ ⇒W(p̃ξ) ≈ qξ . (8) For simplicity, we concentrate on the case where X, Y , and K are finite. Let |X| = n, |Y | = m, and |K| = k. Thus, we view an IV-FAM as a mapping W : In → Im. We say that W represents a sup-C IV-FAM if W(x) = δW (x) = W ◦C x, ∀x ∈ In, for some W ∈ Im×n. In this paper we focus on the construction of IV-FMAMs based on repre- sentable IV fuzzy conjunctions and their adjoint implications [5,23]. We will now present a recipe for constructing IV fuzzy conjunctions and their adjoint implications, beginning by the definition of a representable IV fuzzy conjunction [5]: Proposition 2 If C is a fuzzy conjunction, then the operator CrC , that is defined as follows for all u = [u, u], v = [v, v] ∈ I, yields an IV fuzzy conjunction. CrC(u, v) = [C(u, v), C(u, v)].(9) Definition 4. The IV fuzzy conjunction CrC of Equation 9 is referred to as the representable conjunction with representative C. Fourth Brazilian Conference on Fuzzy Systems (IV CBSF) November 16 - 18, 2016, Campinas – Brazil. 6 Let CrC be a representable interval-valued fuzzy conjunction with representa- tive C and I the adjoint fuzzy implication of C. The adjoint IV fuzzy implication of CrC can be obtained by means of Equation 10, as follows [23]: InI (u, v) = [I(u, v) ∧ I(u, v), I(u, v)]. (10) An example of dilative fuzzy conjunction is the cross-ratio uninorm [30], denoted using the symbol CF . The formulas for CF and its adjoint implication IF can be found below: CF (x, y) = { 1, if (x, y) = (0, 1) or (1, 0) xy (1−y)(1−x)+xy) , otherwise. (11) IF (x, y) = { 1, if (x, y) = (0, 0) or (1, 1) (1−x)y y(1−x)+x(1−y) , otherwise. (12) Observe that the representable IV fuzzy conjunction CrCF and its adjoint implication InIF , given by means of Equation 10, represents a pair consisting of an erosion and a dilation. Hence, an IV-FAM based on CrCF , that will be denoted here by WrF , will be morphological. In this research paper, we will employ sup-CrC matrix products in the re- call phases of IV-FAMs, in particular sup-CrC matrix products that give rise to dilations and, therefore, IV-FMAMs. Let P = [p1, ...,pk] ∈ In×k, Q = [q1, ...,qk] ∈ Im×k be matrices which columns are formed by the pairs (pj ,qj) of fundamental memories and let CrC be an IV fuzzy conjunction. Consider the problem of determining the weight matrix W of a sup-CrC IV-FMAM given by the dilation δW . As an extension of the fuzzy learning by adjunction [22] for sup-C FMAMs to IV fuzzy learning by adjunction (IV-FLA) for sup-CrC FMAMs, we propose to construct its weight matrix W ∈ In×k as follows: W = Q~n,I P t, (13) where the IV fuzzy implication used in the Inf-I product is the adjoint pair of CrC . Finally, upon presentation of an input pattern x ∈ In, the output pattern y ∈ Im of the corresponding IV-FMAM can be calculated by the sup-CrC product of W and x. In the following section, we employ the IV-FMAM WrF in order to implement a IV fuzzy inference system for a time series prediction problem. 4 An IV-FMAM Approach Towards Time Series Prediction 4.1 Experimental Setup for the IV-FMAM Approach In this section, we present the experimental setup regarding the use of sup-CrC IV- FMAMs in a time-series forecasting problem, namely the Economically Active Fourth Brazilian Conference on Fuzzy Systems (IV CBSF) November 16 - 18, 2016, Campinas – Brazil. 7 Population Index (PEA), a socio-economic index used by Brazilian governmental and non-governmental sectors for strategic decision making [4]. Specifically, a sup-CrF IV-FMAM was employed to model a rule-based system consisting of k rules, each one having a IV fuzzy antecedents and b IV fuzzy consequents. To this end, the crisp training data, that are contained along with the testing data in a finite universe U × V ⊆ Ra × Rb, were clustered by means of the IV fuzzy c-means clustering technique (IV-FCM) [12]. More precisely, given a number k of clusters and a “fuzzifier parameter m = [m1,m2], IV fuzzy c-means clustering produces the cluster centers cγp ∈ Ra and cξq ∈ Rb with respective component- wise standard deviations σp ∈ Ra and σq ∈ Rb of IV fuzzy Gaussian membership functions pξ and qξ for ξ = 1, . . . , k. The antecedents pξ and the consequents qξ are respectively contained in FI(U) and FI(V), where U = {u1, . . . ,um} and V = {v1, . . . ,vn}. Their compo- nents can be calculated as follows: pξj = exp −1 2 a∑ l=1 ∣∣∣∣∣ ( uj ) l − ( cξp ) l (σp)l ∣∣∣∣∣ 2 m2−1 ,−1 2 a∑ l=1 ∣∣∣∣∣ ( uj ) l − ( cξp ) l (σp)l ∣∣∣∣∣ 2 m1−1 , (14) qξi = exp −1 2 b∑ l=1 ∣∣∣∣∣ ( vi ) l − ( cξq ) l (σq)l ∣∣∣∣∣ 2 m2−1 ,−1 2 b∑ l=1 ∣∣∣∣∣ ( vi ) l − ( cξq ) l (σq)l ∣∣∣∣∣ 2 m1−1 . (15) In principle, the pairs (pξ,qξ) corresponding to the training data can be used to compute the weight matrix W ∈ Im×n by means of Equation 13. Training: 1. Apply the IV-FCM clustering technique with k centers and fuzzifier param- eter m to the training data in U ×V ⊆ Ra ×Rb in order to obtain k centers cγp ∈ Ra and cξq ∈ Rb with respective component-wise standard deviations σp ∈ Ra and σq ∈ Rb; 2. Create the discrete intervalar gaussian antecedents pξ in FI(U) and conse- quents qξ in FI(V) using Equations 14 and 15; 3. Compute the weight matrix W ∈ Im×n by means of the inf-I product W = (qξ)t ~ pξ. The test is performed as follows. Given the weight matrix W , for each p in the test data set, do: 1. Compute the sup-C product q = W ◦ p to obtain an interval-valued fuzzy vector; 2. Average q component-wise to type-reduce it (Nie-Tan type-reduction method [18]); 3. Defuzzify the type-reduced vector using the centroid defuzzification method to obtain a real valued output. Fourth Brazilian Conference on Fuzzy Systems (IV CBSF) November 16 - 18, 2016, Campinas – Brazil. 8 However, an explicit construction of W is not required since the represen- tation as an IV fuzzy set of the antecedent part of a crisp test datum ud in U yields an input pattern p ∈ FI(U) of the form p = [0I, . . . , 0I, eI, 0I, . . . , 0I]T . More precisely, we have pj = { eI, if j = d 0I, otherwise. . Here, the symbol eI denotes the identity element [0.5, 0.5] of the IV fuzzy conjunction CrF . For p ∈ FI(U) ' Im of this form, q = W ◦r,F p has the following components for i = 1, . . . ,m: qi = W ◦r,F pi = n∨ j=1 CrF (wij , pj) = wid = k∧ ξ=1 InF (pξj , qξi ) . (16) We obtain a final, crisp prediction value from q after an application of type- reduction and defuzzification. For computational reasons, we employed the Nie- Tan method, which is nearly as fast as a conventional fuzzy centroid defuzzifica- tion [28]. The Nie-Tan method consists of a type-reduction procedure followed by a centroid defuzzification of the resulting type-1 fuzzy set. 4.2 Prediction of a Brazilian Socioeconomic Index The Economically Active Population Index (PEA) refers to the percentage of economically active persons, i.e., people who are currently employed or actively looking for a job, within certain age groups. The data for the computation of the PEA index are collected by DIEESE, the “Inter-Union Department of Statistics and Socio-Economic Studies”, a creation of the Brazilian trade union movement. DIEESE was founded in 1955 to develop research on which workers’ demands could be based [4]. The PEA index, since its conception, has provided guidance - not only to some governmental sectors such as the social security office but also to trade unions and private corporations since this index yields valuable information con- cerning the current state of the workforce. This information can also be used as a decision making tool for politicians to avoid future social and economical prob- lems. The PEA index is computed monthly as part of some other more compre- hensive indices, such as the Monthly Employment Survey Index (PME/IBGE) and the Employment and Unemployment ResearchIndex (PED/DIEESE), in the metropolitan area of São Paulo and other major Brazilian metropolitan areas. Here, we employed the methodology described in order to forecast the PEA index of the metropolitan area of São Paulo from January 1985 to December 2012. The population under consideration comprises approximately 17 million inhabitants and is divided into the following age brackets: 10-15, 16-24, 25-39, 40-49, 50-59 and 60+. The PEA index values are given by the percentage of the working age population that includes every person older than nine. Note that the PEA index includes 10 to 15 year old economically active children that are part, albeit illegally, of Brazil’s working population. Thus, the PEA index serves to aide governmental and non-governmental organizations to understand and remedy the child labor problem. Since the insertion of the 10-15 Fourth Brazilian Conference on Fuzzy Systems (IV CBSF) November16 - 18, 2016, Campinas – Brazil. 9 years age group in the PEA index, initiatives such as the creation of the Statute of the Child and the Adolescent (“Estatuto da Criança e do Adolescente”) and several non-governmental campaigns helped to decrease the amount of child labor from more than 20% in 1985 to 4.5% at the end of 2012. We chose to use one predictor model for each month and for age-group, in view of seasonal differences in the PEA values. We standardized the original data to lie within the range [−5, 5] by subtracting the mean and dividing by the standard deviation. Let sγ ∈ R be samples of the seasonal time series. The goal is to estimate the value of sq from a subset of the past values {s1, s2, ..., sq−1}. In particular, we simply used the last three monthly PEA indices {sγ−3, sγ−2, sγ−1} to predict the next index sγ . Given a fuzzifier parameter m and a number of clusters k, IV-FCM clustering produced cluster centers cξp ∈ R3 and cξq ∈ R with respective component-wise standard deviations σp ∈ R3 and σq ∈ R. We considered finite universes of discourse U = {u1, . . . ,um} and V = {v1, . . . ,vn} comprising m = 503 and n = 50 equally spaced points in [−5, 5]3 and [−5, 5], respectively. The values cξp, σp, c ξ q, and σq can be used to compute the entries p ξ j = [p ξ j , p ξ j ] and q ξ i = [qξi , q ξ i ] of the finite Gaussian IV fuzzy sets p ξ ∈ FI(U) ' In and qξ ∈ FI(V) ' Im via Equations 14 to 15. The performance of the IV-FMAM approach suggested in this paper depends on the choices of the number of clusters and a fuzzifier parameter m = [m1,m2] as inputs to the IV-FCM clustering algorithm. We employed a fixed number of clusters k = 10 for all monthly models. We considered three different options of m, namely [2.0 − α, 2.0 − α] for α = 0, 0.1, 0.2. Note that m = [2.0, 2.0] yields fuzzy Gaussian membership functions pξ ∈ F(U) and qξ ∈ F(V) and therefore WrC corresponds to WC for every commutative and dilative fuzzy conjunction C. Since WF achieved the best validation performance in previous experiments concerning time-series prediction [27], we only performed simulations usingWrF . The fuzzifier parameter m was selected by means of leave-one-out cross- validation on the data from January 1985 to December 2002, according to the Table 1 for each age bracket. Here, the performance was measured in terms of the mean absolute error (MAE), the root mean squared error (RMSE), the mean percentage error (MPE), and the correlation coefficient ρ (the higher the values of ρ, the better the performance). We compared the prediction results produced by the sup-CrF IV-FMAM model with m = [1.9, 2.1] with the ones produced by an interval type-2 fuzzy inference system (IT-2 FIS) with the same fuzzifier parameter m = [1.9, 2.1] using the test data from January 2003 to December 2012. Note that the IT2-FIS with m = [2.0, 2.0] corresponds to a conventional type-1 fuzzy inference system [15]. Tables 2 and 3 display the testing errors and the correlation coefficients pro- duced by the WrF and the interval type-2 fuzzy inference system, respectively. Note that the IV-FMAMWrF evidently outperformed the IT-2 FIS in these sim- ulations. Figures 1 and 2 illustrate the prediction results obtained by WrF and a conventional interval type-2 fuzzy system, respectively, in comparison with the real data for the testing period. Fourth Brazilian Conference on Fuzzy Systems (IV CBSF) November 16 - 18, 2016, Campinas – Brazil. 10 Table 1. Leave-one-out cross-validation errors from 1985 to 2003. Age Bracket m MAE RMSE MRE(%) ρ [2.0, 2.0] 1.70 2.77 11.10 0.798 10-15 [1.9, 2.1] 1.70 2.75 10.97 0.802 [1.8,2.2] 1.68 2.75 10.91 0.803 [2.0, 2.0] 3.17 8.25 4.79 0.231 16-24 [1.9,2.1] 3.04 8.10 4.74 0.233 [1.8, 2.2] 3.11 8.32 4.87 0.230 [2.0, 2.0] 3.03 7.80 4.40 0.278 25-39 [1.9,2.1] 3.00 7.76 4.38 0.283 [1.8, 2.2] 3.04 7.96 4.46 0.2801 [2.0, 2.0] 2.45 6.00 3.69 0.334 40-49 [1.9,2.1] 2.45 5.99 3.69 0.335 [1.8, 2.2] 2.54 6.30 3.89 0.330 [2.0, 2.0] 2.44 5.35 4.95 0.418 50-59 [1.9,2.1] 2.45 5.34 4.95 0.425 [1.8, 2.2] 2.48 5.45 5.05 0.417 [2.0, 2.0] 1.32 2.53 6.87 0.144 60+ [1.9,2.1] 1.32 2.51 6.86 0.144 [1.8, 2.2] 1.34 2.54 6.92 0.148 Table 2. Testing errors produced by the WrF for the each age group of the PEA index. Age Bracket MAE RMSE MRE(%) ρ 10-15 0.90 0.60 8.66 0.870 16-24 0.62 0.50 0.66 0.861 25-39 0.50 0.35 0.41 0.809 40-49 0.62 0.46 0.58 0.876 50-59 0.91 0.70 1.13 0.920 60+ 0.83 0.66 3.04 0.624 Table 3. Testing errors produced by the IT2 Mamdani inference system for the each age group of the PEA index. Age Bracket MAE RMSE MRE(%) ρ 10-15 1.15 0.91 13.16 0.791 16-24 0.78 0.63 0.84 0.754 25-39 0.60 0.45 0.53 0.710 40-49 0.82 0.64 0.81 0.804 50-59 1.40 1.17 1.87 0.849 60+ 0.97 0.76 3.49 0.447 Fourth Brazilian Conference on Fuzzy Systems (IV CBSF) November 16 - 18, 2016, Campinas – Brazil. 11 Fig. 1. Predictions obtained by WrF (top row) and the IT2-FIS (bottom row) for the age groups: 10-15, 16-24 and 25-39, from left to right. Fig. 2. Predictions obtained by WrF (top row) and the IT2-FIS (bottom row) for the age groups: 40-49, 50-59 and 60+, from left to right. 5 Concluding Remarks Type-2 fuzzy systems have been successfully employed in a variety of applications for their capability of handling uncertainties that are intrinsic in real-world data better then traditional (type-1) fuzzy systems [3]. In particular, interval-valued FSs have found far more applications then full type-2 FS due to their simplicity and to the merely linear increase in computational complexity in comparison to type-1 fuzzy systems [13,25]. Fourth Brazilian Conference on Fuzzy Systems (IV CBSF) November 16 - 18, 2016, Campinas – Brazil. 12 We applied in this paper our alternative approach towards an IV fuzzy sys- tem, namely the sup-CrC IV-FMAM, to the problem of forecasting the monthly rates of participation of given age groups in the work force of the metropolitan area of São Paulo. To this purpose, we generated an IV fuzzy inference system based on the aforementioned IV-FMAMs. The same methodology was employed in conjunction with an Mamdani(-Assilian) IT-2 FIS. In our simulations the sup- CrC IV-FMAM approach exhibited significantly better results than the interval type-2 fuzzy system with respect to four different performance measures. Note that the IV-FMAM approach presented in this paper depends on the complete lattice structure of I and in particular on the fact that elements of I were partially ordered in terms of Equation 1. In the future, we intend to investigate the suitability of other partial orders in conjunction with IV-FAMs. Furthermore, we plan to develop full type-2 fuzzy associative memories (T2- FAMs) as particular cases of L-fuzzy associative memories and use them to build full type-2 fuzzy inference systems. References 1. R. Belohlavek and J. Konecny, “Concept lattices of isotone vs. antitone Galois connections in graded setting: Mutual reducibility revisited,” Inf. Sci., vol. 199, pp. 133–137, Sep. 2012. 2. H. Bustince Sola, J. Fernandez, H. Hagras, F. Herrera, M. Pagola, and E. Bar- renechea, “Interval type-2 fuzzy sets are generalization of interval-valued fuzzy sets: Towards a wider view on their relationship,” IEEE Transactions on Fuzzy Systems, vol. PP, no. 99, pp. 1–1, 2014. 3. O. 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Palmeira Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional em Ciência e Tecnologia Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas - DCET Universidade Estadual de Santa Cruz - UESC gildsonj@gmail.com, {gpandrade,espalmeira}@uesc.br Resumo Este trabalho consiste em demonstrar as propriedades de trans- formações elementares de matrizes, aplicadas à matrizes cujo os elemen- tos são definidos como intervalos, denominadas matrizes intervalares. Nele pôde-se definir as transformações básicas e suas respectivas re- versões, além de demonstrar aplicações de matrizes elementares. Keywords: Matrizes Intervalares, Transformações Elementares, Matri- zes Elementares 1 Introdução O estudo da matemática intervalar tem uma grande relevância no campo da mo- delagem computacional, pois tenta resolver o problema da propagação de erros cometidos no processamento de dados com arredondamento dada a dificuldade de se representar determinados números reais, além de ser uma boa maneira de fazer um controle e estimativa desses erros através da utilizando um intervalo ao redor do um valor que se pretende representar, possibilitando uma melhor análise dos valores em torno do resultado esperado. Assim para que se tenha uma matemática intervalar bem fundamentada é necessário investir esforços de pesquisa na direção de verificar e comprovar quais propriedades aritméticas e algébricas dos números reais são válidas no escopo intervalar. Por exemplo, a utilização de matrizes e suas propriedades na modela- gem computacional é imprescind́ıvel, pois constitui uma ferramenta para resolver e manipular sistema de equações, além de ser altamente aplicável em qualquer linguagem de programação [3]. Por esse motivo, transformar os elementos de uma matriz de números reais em intervalos, expandir as propriedades da matemática intervalar para transformação de matrizes e aplicar as operações intervalares em matrizes, pode determinar uma melhora na análise de resultados. Outro aspecto importante da teoria intervalar se dá na sua relação direta com os números fuzzy, pois esses números tem sua representação clássica (CRIP) dada em termos de intervalos (i.e. o suporte do número) e portanto, a aritmética intervalar serve de suporte para a computação na aritmética dos números fuzzy. As operações aritméticas para intervalos foram definidas por [2], denomina- das operações clássicas. Utilizando destas definições existentes, pode-se definir Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 15 as operações de matrizes com elementos intervalares, denominadas matrizes in- tervalares, sendo necessário definir mudança em algumas operações para se obter o resultado pretendido. Os resultados objetivados foram, provar e demonstrar que as propriedades de transformação de matrizes com elementos reais se aplicam a matrizes inter- valares, aplicando os teoremas e proposições existentes para transformações de matrizes à matrizes intervalares e verificando se o resultado obtido constitui uma operação válida para matrizes intervalares. 2 Matrizes Intervalares Nesta seção serão apresentados alguns resultados importantes para o desenvol- vimento da teoria do produto de Kronecker para matrizes intervalares. O conjunto M = I(R) ∪ I(R), sendo I(R) = {[a, a] ; a ≤ a, a, a ∈ R} e I(R) = {[a, a] ; [a, a] ∈ I (R)} . (1) Em [1] foi provado que o conjunto M munido com as seguintes operações de soma e multiplicação [a1, a2] + [b1, b2] = [a1 + b1, a2 + b2] e [a1,a2] · [b1, b2] = [a1b1, a2b2] . (2) é um corpo, este fato foi provado em [5]. Na proposição a seguir será mostrado que o conjunto das matrizes intervalares Mm×n(M), ou seja, o conjunto das matrizes cuja as entradas são elementos de M é um espaço vetorial sobre M . Proposição 21 Seja Mm×n(M) o conjunto das matrizes de ordem m× n com entradas em M . Dizemos que Mm×n(M) é um espaço vetorial sobre M se, ∀A,B,C ∈Mm×n(M) e k, x ∈M , estiverem definidas as seguintes operações (A+B)ij = [ [aij , aij ] ] + [ [bij , bij ] ] = [ [aij , aij ] + [bij , bij ] ] = [ [aij + bij , aij + bij ] ] , (k ·A)ij = [ k, k ] [ [aij , aij ] ] = [ [k, k][aij , aij ] ] = [ [kaij , kaij ] ] , (3) com 0 < i ≤ m e 0 < j ≤ n e satisfazerem as seguintes propriedades: (A1) A+B = B +A, ∀A,B ∈Mm×n(M); (A2) (A+B) + C = A+ (B + C), ∀A,B,C ∈Mm×n(M); (A3) Existe um elemento 0 = [ [0ij , 0ij ] ] ∈ Mm×n(M) tal que A + 0 = A, ∀A ∈Mm×n(M); (A4) Existe um elemento −A = [ [−aij ,−aij ] ] ∈Mm×n(M) tal que A+ (−A) = 0; (M1) (k · x)A = k(x ·A), ∀k, x ∈M e ∀A ∈Mm×n(M); (M2) Existe um elemento 1 = [ 1, 1 ] ∈M tal que A · 1 = A, ∀A ∈Mm×n(M); (D1) k(A+B) = kA+ kB, ∀k ∈M e ∀A,B ∈Mm×n(M); (D2) (k + x)A = kA+ xA, ∀k, x ∈M , ∀A ∈Mm×n(M); Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 16 Prova: Visto que, tem-se pouco espaço serão provadas apenas as propriedades (A1) e (M1), as outras propriedades seguem de maneira análoga. Sejam A =[ [aij , aij ] ] , B = [ [bij , bij ] ] , C = [ [cij , cij ] ] pertencentes a Mm×n(M), e sabendo que M é corpo a prova da propriedade (A1) é dada a seguir A+B = [ [aij , aij ] ] + [ [bij , bij ] ] = [ [aij + bij , aij + bij ] ] = [ [bij + aij , bij + aij ] ] = [ [bij , bij ] ] + [ [aij , aij ] ] = B +A. Já a propriedade (M1) é provada como segue (kx)A = ( [ k, k ] [x, x]) [ [aij , aij ] ] = [ ([k, k][x, x])[aij , aij ] ] (4) = [ [k, k]([x, x][aij , aij ]) ] = [ k, k ] [ ([x, x][aij , aij ]) ] = [ k, k ] ([x, x] [ [aij , aij ] ] ) = k(xA). A seguir, algumas definições sobre a teoria de matrizes intervalares. Definição 21 [4] (Produto de Matrizes) Dadas duas matrizes A ∈ Mm×n(M) e B ∈Mn×t(M), a matriz produto (A ·B)ij (0 < i ≤ m e 0 < j ≤ t) é dada por (A ·B)ij = [ [aij , aij ] ] [ [bij , bij ] ] = [ [ n∑ t=1 aitbtj , n∑ t=1 aitbtj ] ] . Definição 22 [4] (Matriz Identidade) Seja I ∈ Mn(M). A matriz intervalar In é denominada matriz intervalar identidade de ordem n se os seus elementos são dados da seguinte forma (I)ij = [ 0, 0 ] se i 6= j e (I)ij = [ 1, 1 ] se i = j. Definição 23 [4] (Matriz transposta) Seja A ∈ Mm×n(M). Dizemos que a transposta de A, e denotamos por AT , é uma matriz n ×m obtida a partir de trocas das linhas por colunas de A, isto é, se (A)ij = [ [aij , aij ] ] então (AT )ji =[ [aji, aji] ] . Definição 24 [4] (Matriz Inversa) Sejam A,B ∈ Mn(M). Sendo B = A−1 a matriz inversa de A, deve então satisfazer AB = I. Assim, { (A ·B)ij = [1, 1], para i = j (A ·B)ij = [0, 0], para i 6= j (5) =⇒ [ n∑ t=1 aitbtj , n∑ t=1 aitbtj ] = [1, 1], para i = j, [ n∑ t=1 aitbtj , n∑ t=1 aitbtj ] = [0, 0], para i 6= j (6) =⇒ n∑ t=1 aitbtj = n∑ t=1 aitbtj = 1, para i = j, n∑ t=1 aitbtj = n∑ t=1 aitbtj = 0, para i 6= j (7) Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 17 3 Transformações Elementares de Matrizes Intervalares Definição 31 (Transformações Elementares) Seja A ∈ Mmxn(M), para cada Li com 1 ≤ i ≤ m, a i-ésima linha de A. Definimos as transformações elemen- tares nas linha da matriz A como (i) Permutação das linhas: Li ↔ Lj; (ii) Multiplicação da linha Li por um intervalo constante [c, c] ∈M com [c, c] 6= [0, 0]: Li → [c, c]Li; (iii) Substituição da linha Li pela adição desta mesma linha com [c, c] vezes uma outra linha Lj, onde [c, c] ∈M com [c, c] 6= [0, 0]: Li → Li + [c, c]Lj. A matriz obtida de A aplicando a transformação elementar ‘e”é denotada por e(A). Ilustração 31 As transformações elemenares (i), (ii) e (iii) podem ser aplica- das em uma matriz A = [a11, a11] [a12, a12] . . . [a1n, a1n] [a21, a21] [a22, a22] . . . [a2n, a2n] ... ... . . . ... [am1, am1] [am2, am2] . . . [amn, amn] (8) da seguinte forma: L1 ↔ Lm em A, tem-se: e(A) = [am1, am1] [am2, am2] . . . [amn, amn] [a21, a21] [a22, a22] . . . [a2n, a2n] ... ... . . . ... [a11, a11] [a12, a12] . . . [a1n, a1n] . (9) L2 → [c, c]L2 em A, tem-se: e(A) = [a11, a11] [a12, a12] . . . [a1n, a1n] [ca21, ca21] [ca22, ca22] . . . [ca2n, ca2n] ... ... . . . ... [am1, am1] [am2, am2] . . . [amn, amn] . (10) L2 → L2 + [c, c]L2 em A, tem-se: e(A) = [ a11, a11 ] [ a12, a12 ] . . . [ a1n, a1n ] [ a21 + ca11, a21 + ca11 ] [ a22 + ca12, a22 + ca12 ] . . . [ a2n + ca1n, a2n + ca1n ] . . . . . . . . . . . .[ am1, am1 ] [ am2, am2 ] . . . [ amn, amn ] . (11) Definição 32 (Matrizes Equivalentes) Sejam A e B matrizes de ordem m× n. A matriz A é dita equivalente por linhas a matriz B, se B pode ser obtida de A pela aplicação sucessiva de transformações elementares sobre linhas. Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 18 Proposição 31 Toda transformação elementar “e”nas linhas de matrizes de ordem m × n é reverśıvel, no sentido que existe uma transformação “e′”, tal que, e′(e(A)) = A e e(e′(A)) = A para todo A ∈ Am×n(M). Demonstração: Considere uma matriz B = e(A) uma matriz obtida por trans- formações elementares aplicadas na matriz A, sendo B,A ∈ Mm×n(M). Defi- nindo as transformações elementares reversas (i) Permutação das linhas: Lj ↔ Li; (ii) Multiplicação da linha Lj pelo intervalo constante [ 1 c , 1 c ] ∈ M com [c, c] 6= [0, 0]: Lj → [ 1 c , 1 c ] Lj ; (iii) Substituição da linha Lj pela subtração desta mesma linha com [ 1 c , 1 c ] vezes uma outra linha Li, onde [ 1 c , 1 c ] ∈ M com [c, c] 6= [0, 0]: Lj → Lj − [ 1 c , 1 c ] Li. Claramente verifica-se que aplicando as transformações reversas (i), (ii) e (iii) nas linhas de B obtém-se a matriz A. Observação 31 Se A é equivalente por linhas a B, então B é equivalente por linhas a A, visto que as transformações elementares sobre linhas são reverśıveis. Definição 33 (Matrizes Elementares) Uma matriz elementar intervalar de or- dem n é uma matriz obtida a partir de transformações elementares aplicadas na matriz identidade intervalar In, isto é, trata-se de uma matriz da forma E = e(In). (12) Teorema 31 Seja “e”uma transformação elementar sobre matrizes intervalares de ordem n. Considere a matriz elementar intervalar E = e(In), então: e(A) = EA, A ∈Mn(M). (13) Demonstração: Aplicando as transformações elementares nas linhas da matriz identidade e calculando, temos (i) L1 ↔ Ln : EA = e(In)A = [0, 0] [0, 0] . . . [1, 1] [0, 0] [1, 1] . . . [0, 0] ... ... . . . ... [1, 1] [0, 0] . . . [0, 0] [a11, a11] [a12, a12] . . . [a1n, a1n] [a21, a21] [a22, a22] . . . [a2n, a2n] ... ... . . . ... [an1, an1] [an2, an2] . . . [ann, ann] = [an1, an1] [an2, an2] . . . [ann, ann] [a21, a21] [a22, a22] . . . [a2n, a2n] ... ... . . . ... [a11, a11] [a12, a12] . . . [a1n, a1n] = e(A). (14) (ii) L2 → [c, c]L2. EA = e(In)A = [1, 1] [0, 0] . . . [0, 0] [0, 0] [c, c] . . . [0, 0] ... ... . . . ... [0, 0] [0, 0] . . . [1, 1] [a11, a11] [a12, a12] . . . [a1n, a1n] [a21, a21] [a22, a22] . . . [a2n, a2n] ... ... . . . ... [an1, an1] [an2, an2] . . . [ann, ann] Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 19 = [a11, a11] [a12, a12] . . . [a1n, a1n] [ca21, ca21] [ca22, ca22] . . . [ca2n, ca2n] ... ... . . . ... [an1, an1] [an2, an2] . . . [ann, ann] = e(A). (15) (iii) L2 → L2 + [c, c]L1 EA = e(In)A = [1, 1] [0, 0] . . . [0, 0] [c, c] [1, 1] . . . [0, 0] . . . . . . . . . . . . [0, 0] [0, 0] . . . [1, 1] [ a11, a11 ] [ a12, a12 ] . . . [ a1n, a1n ] [ a21, a21 ] [ a22, a22 ] . . . [ a2n, a2n ] . . . . . . . . . . . .[ an1, an1 ] [ an2, an2 ] . . . [ ann, ann ] = [ a11, a11 ] [ a12, a12 ] . . . [ a1n, a1n ] [ a21 + ca11, a21 + ca11 ] [ a22 + ca12, a22 + ca12 ] . . . [ a2n + ca1n, a2n + ca1n ] . . . . . . . . . . . .[ am1, am1 ] [ am2, am2 ] . . . [ amn, amn ] = e(A). (16) O resultado é verificado para operações em qualquer linha da matriz. Corolário 31 Sejam A,B ∈ Mn(M). Então, A é equivalente a B por linhas se, e somente se, existem matrizes elementares E1, E2, ..., Es de ordem n, tais que, Es(...(E2(E1(A))...) = B. Demonstração: Por definição, A é equivalente a B por linhas quando existem transformações elementares e1, e2, ..., es, tais que (es...(e2(e1( [ [aij , aij ] ] ))...) = [ [bij , bij ] ] . (17) Mas, pelo Teorema 31, sabe-se que (17) é equivalente a (Es...(E2(E1( [ [aij , aij ] ] ))...) = [ [bij , bij ] ] . (18) Corolário 32 Toda matriz elementar intervalar é inverśıvel e sua inversa também é uma matriz elementar intervalar. Demonstração: Considere as matrizes elementares intervalares E = e( [ [Iij , Iij ] ] ) =[ [Eij , Eij ] ] e E′ = e′( [ [Iij , Iij ] ] ) = [ [E′ij , E′ij ] ] , onde “e′”é a transformação ele- mentar inversa de “e”, pelo Teorema 31, segue que: [ [Iij , Iij ] ] = e′(e( [ [Iij , Iij ]) ] ) = e′( [ [Eij , Eij ] ] ) = e′( [ [Iij , Iij ] ] ) [ [Eij , Eij ] ] = [ [E′ij , E′ij ] ] · [ [Eij , Eij ] ] , (19) e [ [Iij , Iij ] ] = e(e′( [ [Iij , Iij ] ] )) = e( [ [E′ij , E′ij ] ] ) = e( [ [Iij , Iij ] ] ) [ [E′ij , E′ij ] ] = [ [Eij , Eij ] ] · [ [E′ij , E′ij ] ] . (20) Logo, [ [Eij , Eij ] ] é inverśıvel e [ [Eij , Eij ] ]−1 = [ [E′ij , E′ij ] ] . (21) Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 20 Proposição 32 Seja A ∈Mn(M) uma matriz intervalar inverśıvel e e1, e2, ..., es uma sequência de transformações elementares, tais que, (es...(e2(e1 [ [aij , aij ] ] ))...) = [ [Iij , Iij ] ] , (22) onde In = [ [Iij , Iij ] ] é a matriz identidade intervalar. Então, essa mesma sequência de transformações elementares aplicadas a In, produzem A −1, isto é, (es...(e2(e1( [ [Iij , Iij ] ] ))...) = [ [a−1ij , a −1 ij ] ] = A−1. (23) Observação 32 Para transformações elementares de matrizes intervalares, ob- servou-se que a operação de multiplicação de intervalos usual [2] [a, a] · [b, b] = [min { ab, ab, ab, ab } ,max { ab, ab, ab, ab } ] (24) não se aplica, pois para uma transformação elementar ser válida ela deverá ter uma transformação reversa como descrito na Proposição 31, o que não é posśıvel, como pode ser visto no exemplo abaixo. Sejam X=[-3,4] e Y=[2,6], pela multi- plicação (24) tem-se: X · Y = [min {−6,−18, 8, 24} ,max {−6,−18, 8, 24}] = [−18, 24] = Z. (25) A reversão direta de (25) é a divisão de Z por X para obter Y e de Z por Y para obter X, porém quando isto é feito o resultado não é alcançado, como se pode ver: Z · 1/X = [min {6,−9/2,−8, 6} ,max {6,−9/2,−8, 6}] = [−8, 6] 6= Y. (26) Z · 1/Y = [min {−9, 12,−3, 4} ,max {−9, 12,−3, 4}] = [−9, 12] 6= X. (27) 4 Conclusões Pode-se concluir que as transformações elementares para matrizes se aplicam a matrizes intervalares, uma vez que sejam utilizadas matrizes intervalares no espaço vetorial Mmxn e a multiplicação de extremos de intervalos demonstrada neste trabalho. Além disto, pôde-se definir aplicações fundamentais para trans- formação de matrizes, como matrizes elementares e a matriz inversa intervalar. Agradecimentos A FAPESB e a UESC pela oportunidade concedida em realizar esta pesquisa. Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 21 Referências 1. Costa, T. M. and Chalco-Cano, Y. and Lowick,W. A., Generalized interval vector spaces and interval optimization, Information Sciences, 311, 74-85, 2015. 2. Sunaga, T., Theory of an Interval Algebra and its Application to Numerical Analy- sis, RAAG Memoirs,1958. 3. Hefez, A. and Fernandes, C. S., Introdução á Álgebra Linear, Coleção PROFMAT, SBM, 2014. 4. Moore, R. E. and Kearfott, R. B. and Colud, M. J., Introduction to Interval Analysis, SIAM, 2009. 5. Rufino, V. N. and Palmeira, E. S. and de Jesus, G. Q., Influência de Uma Variável Fuzzy no Problema dos Mı́nimos Quadrados, Anais do Encontro Nacional de Mo- delagem Computacional (XVIII ENMC), Salvador, Bahia, Brasil, 2015. Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 22 Produto de Kronecker para Matrizes Intervalares Rudhero M. dos Santos, Gildson Q. de Jesus, and Eduardo S. Palmeira Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional em Ciência e Tecnologia Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas - DCET Universidade Estadual de Santa Cruz - UESC espalmeira@uesc.br, {rudhero,gildsonj}@gmail.com Resumo Nas últimas três décadas o lugar dos intervalos compactos como objetos independentes tem crescido continuamente na análise nu- mérica, na verificação ou determinação de soluções de vários problemas matemáticos ou na prova de que tais problemas não possuem solução em um domı́nio particular. Observamos aplicações em diversas áreas tais como problemas em engenharias, robótica, controle etc. Em especial, no presente artigo, usamos noções da matemática intervalar para provar um lema com algumas propriedades do produto de Kronecker, sendo que este é basicamente aplicado na resolução de equações matriciais a exemplo da equação de Lyapunov P = FPA + Q. Keywords: Matrizes Intervalares, Produto de Kronecker, Modelagem Computacional 1 Introdução A matemática intervalar é uma área relativamente nova que vem se desenvol- vendo ao longo dos anos. Os primeiros textos que discorrem sobre tal tema datam da década de 50 tais como [8]. Na aritmética intervalar introduzida por [8] e [3] o conjunto dos intervalos reais, denotado por I(R), provê as operações binárias de adição, subtração, multiplicação e divisão, bem como operações unárias. En- tretanto essa aritmética não é, em muitos casos, razoável visto que I(R) munido desses operadores não possui estrutura de corpo, fazendo com que muitas pro- priedades interessantes não funcionem nesse conjunto. Nesse artigo não utilizaremos as definições para subtração e multiplicação tal como na literatura, mas sim uma extensão dos intervalos como o descrito em [2], visto que, com elas, não conseguimos uma estrutura algébrica consistente como acontece com o conjunto dos números reais. Pensando nisso, tomamos o conjunto M como sendo a união entre os inter- valos próprios (I(R)) e impróprios (I(R)) de forma que todos os intervalos em M tenham um inverso aditivo bem como um inverso multiplicativo, os quais na Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 23 literatura são denominados de Pseudo Inverso Aditivo e Pseudo Inverso multipli- cativo. Dessa forma, definimos a multiplicação intervalar como sendo o produto entre os extremos correspondentes e, com isso, conseguimos mostrar que M é um corpo e o conjunto das matrizes de ordem qualquer com entradas em M é um espaço vetorial sobre M . As definições de corpo e espaço vetorial podem ser consultadas em [7]. No que se refere a aplicação, especialmente do ponto de vista matemático, pode-se citar problemas intervalares associados à solução de sistemas lineares ou não lineares, otimização (restrita ou global), determinação de valores e ve- tores próprios, solução de problemasde contorno e de equações diferenciais, entre outros. Isto foi posśıvel através da compreensão de intervalos como ex- tensões de números reais ou complexos, da introdução de funções intervalares e de aritméticas intervalares. Além disso, temos aplicações em áreas como enge- nharia mecânica, robótica, controle, etc. Ainda, como é bem conhecido na literatura, a teoria intervalar tem forte ligação com a teoria dos conjuntos fuzzy e em especial com os números fuzzy, através dos alfa cortes. Nesse trabalho buscamos formalizar determinados ope- radores de matrizes intervalares para servir de base para definirmos operadores num espaço vetorial fuzzy. Na seção (2) evidenciamos algumas definições e proposições preliminares a cerca da matemática intervalar a exemplo de operações de soma e multiplicação de intervalos e operações entre matrizes intervalares. Tendo em vista a estrutura algébrica constrúıda, na seção (3) provamos algumas propriedades do produto de Kronecker para matrizes intervalares condensadas em um lema e verificamos que, com a multiplicação usual, não se obtém os mesmos resultados. Vale ressal- tar que o produto de Kronecker é aplicado na resolução de equações matriciais a exemplo da equação de Lyapunov P = FPA+Q, como pode ser visto em [9]. 2 Matrizes Intervalares Nesta seção serão apresentados alguns resultados importantes para o desenvol- vimento da teoria do produto de Kronecker para matrizes intervalares. O conjunto M = I(R) ∪ I(R), sendo I(R) = {[a, a] ; a ≤ a, a, a ∈ R} e I(R) = {[a, a] ; [a, a] ∈ I (R)} . (1) Em [1] foi provado que o conjunto M munido com as seguintes operações de soma e multiplicação [a1, a2] + [b1, b2] = [a1 + b1, a2 + b2] e [a1, a2] · [b1, b2] = [a1b1, a2b2] . (2) é um corpo, este fato foi provado em [10]. Na proposição a seguir será mostrado que o conjunto das matrizes intervalares Mm×n(M), ou seja, o conjunto das matrizes cuja as entradas são elementos de M é um espaço vetorial sobre M . Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 24 Proposição 21 Seja Mm×n(M) o conjunto das matrizes de ordem m× n com entradas em M . Então,Mm×n(M) é um espaço vetorial sobre M se, ∀A,B,C ∈ Mm×n(M) e k, x ∈M , estiverem definidas as seguintes operações (A+B)ij = [ [aij , aij ] ] + [ [bij , bij ] ] = [ [aij , aij ] + [bij , bij ] ] = [ [aij + bij , aij + bij ] ] , (k ·A)ij = [ k, k ] [ [aij , aij ] ] = [ [k, k][aij , aij ] ] = [ [kaij , kaij ] ] , (3) com 0 < i ≤ m e 0 < j ≤ n e satisfazerem as seguintes propriedades: (A1) A+B = B +A, ∀A,B ∈Mm×n(M); (A2) (A+B) + C = A+ (B + C), ∀A,B,C ∈Mm×n(M); (A3) Existe um elemento 0 = [ [0ij , 0ij ] ] ∈ Mm×n(M) tal que A + 0 = A, ∀A ∈Mm×n(M); (A4) Existe um elemento −A = [ [−aij ,−aij ] ] ∈Mm×n(M) tal que A+ (−A) = 0; (M1) (k · x)A = k(x ·A), ∀k, x ∈M e ∀A ∈Mm×n(M); (M2) Existe um elemento 1 = [ 1, 1 ] ∈M tal que A · 1 = A, ∀A ∈Mm×n(M); (D1) k(A+B) = kA+ kB, ∀k ∈M e ∀A,B ∈Mm×n(M); (D2) (k + x)A = kA+ xA, ∀k, x ∈M , ∀A ∈Mm×n(M); Prova: Visto que, tem-se pouco espaço serão provadas apenas as propriedades (A1) e (M1), as outras propriedades seguem de maneira análoga. Sejam A =[ [aij , aij ] ] , B = [ [bij , bij ] ] , C = [ [cij , cij ] ] pertencentes a Mm×n(M), e sabendo que M é corpo a prova da propriedade (A1) é dada a seguir A+B = [ [aij , aij ] ] + [ [bij , bij ] ] = [ [aij + bij , aij + bij ] ] = [ [bij + aij , bij + aij ] ] = [ [bij , bij ] ] + [ [aij , aij ] ] = B +A. Já a propriedade (M1) é provada como segue (kx)A = ( [ k, k ] [x, x]) [ [aij , aij ] ] = [ (kx, kx) ] [ [aij , aij ] ] = [ [(kx), (kx)][aij , aij ] ] = [ ([k, k][x, x])[aij , aij ] ] = [ [k, k]([x, x][aij , aij ]) ] = [ k, k ] [ ([x, x][aij , aij ]) ] = [ k, k ] ([x, x] [ [aij , aij ] ] ) = k(xA). A seguir, algumas definições sobre a teoria de matrizes intervalares. Definição 21 [8] (Produto de Matrizes) Dadas duas matrizes A ∈ Mm×n(M) e B ∈Mn×t(M), a matriz produto (A ·B)ij (0 < i ≤ m e 0 < j ≤ t) é dada por (A ·B)ij = [ [aij , aij ] ] [ [bij , bij ] ] = [ [ n∑ t=1 aitbtj , n∑ t=1 aitbtj ] ] . Definição 22 [8] (Matriz Identidade) Seja I ∈ Mn(M). A matriz intervalar In é denominada matriz intervalar identidade de ordem n se os seus elementos são dados da seguinte forma (I)ij = [ 0, 0 ] se i 6= j e (I)ij = [ 1, 1 ] se i = j. Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 25 Definição 23 [8] (Matriz transposta) Seja A ∈ Mm×n(M). Dizemos que a transposta de A, e denotamos por AT , é uma matriz n ×m obtida a partir de trocas das linhas por colunas de A, isto é, se (A)ij = [ [aij , aij ] ] então (AT )ij =[ [aji, aji] ] . Definição 24 [8] (Matriz Inversa) Sejam A,B ∈ Mn(M). Sendo B = A−1 a matriz inversa de A, deve então satisfazer AB = I. Assim, { (A ·B)ij = [1, 1], para i = j (A ·B)ij = [0, 0], para i 6= j (4) =⇒ [ n∑ t=1 aitbtj , n∑ t=1 aitbtj ] = [1, 1], para i = j, [ n∑ t=1 aitbtj , n∑ t=1 aitbtj ] = [0, 0], para i 6= j (5) =⇒ n∑ t=1 aitbtj = n∑ t=1 aitbtj = 1, para i = j, n∑ t=1 aitbtj = n∑ t=1 aitbtj = 0, para i 6= j (6) A proposição a seguir será muito útil para a prova das propriedades do produto de Kronecker. Proposição 22 Sejam U ∈ Mm×n(M) e V ∈ Mn×p(M) e sejam k = [ k, k ] , x = [x, x] ∈M . Então, (kU)(xV ) = (kx)(UV ). Prova: De fato, usando as definições e propriedades supracitadas, temos que (kU)(xV ) = ( [ k, k ] [ [uij , uij ] ] )([x, x] [ [vij , vij ] ] ) = [ [kuij , kuij ] ] [ [xvij , xvij ] ] = [ [ n∑ t=1 (kuit)(xvtj), n∑ t=1 (kuit)(xvtj)] ] = [ kx, kx ] [ [ n∑ t=1 uitvtj , n∑ t=1 uitvtj ] ] = [ k, k ] [[x, x]] [ [uij , uij ] ] [ [vij , vij ] ] = (kx)(UV ). 3 Produto de Kronecker para Matrizes Intervalares Definição 31 O produto de Kronecker de A e B ∈ Mm×n(M), escrevemos A⊗B, é uma matriz de ordem mn×mn, definida por: A⊗B = [a11, a11]B [a12, a12]B . . . [a1m, a1m]B [a21, a21]B [a22, a22]B . . . [a2m, a2m]B ... ... . . . ... [am1, am1]B [am2, am2]B . . . [amm, amm]B . (7) Quarto Congresso Brasileiro de Sistemas Fuzzy (IV CBSF) 16–18 de Novemebro de 2016, Campinas – SP, Brasil. 26 Lema 31 Dadas as matrizes A ∈ Mm(M), B ∈ Mn(M), C ∈ Mm×k(M) e D ∈Mn×p(M), as seguintes afirmações são verdadeiras: (i) (A⊗B)(C ⊗D) = AC ⊗BD. (ii) Se A e B são inverśıveis, então (A⊗B)−1 = A−1 ⊗B−1. (iii) Para todas as matrizes A,B,C e X ∈ Mm×n(M), se C = AXB, então vec(C) = (BT ⊗A)vec(X). Prova: (i) Calculando (A⊗C)(B⊗D), usando a Definição (31) e a Proposição (22), obtém-se (A⊗ C)(B ⊗D) = [ m∑ t=1 a1tct1, m∑ t=1 a1tct1 ] [ [ n∑ t=1 bitdtj , n∑ t=1 bitdtj ] ] . . . [ m∑ t=1 a1tctk, m∑ t=1 a1tctk ] [ [ n∑ t=1 bikdkj, n∑ k=1 bitdtj ] ] . . . . . . . . .[ m∑ t=1 amtct1, m∑ t=1 a1tct1 ] [ [ n∑ t=1 bitdtj , n∑ t=1 bitdtj ] ] . . . [ m∑ t=1 amtctk, m∑ t=1 a1tctk ] [ [ n∑ t=1 bikdkj, n∑ k=1 bitdtj ] ] (8) Por outro lado, AC e BD são dados por AC = [ [ m∑ t=1 aitctj , m∑ t=1 aitctj ] ] e BD = [ [ n∑ t=1 bitdtj , n∑ t=1 bitdtj ] ] . (9) Após alguns cálculos pode-se ver que o produto de Kronecker AC ⊗BD é dado pela mesma representação obtida em (8). (ii) Considerando o item (i), seja C = A−1 e D = B−1, então AC = I e BD = I. Assim, (A⊗B)(C ⊗D) = AC ⊗BD = I ⊗ I = [1, 1] I [0, 0] . . . [0, 0] [0, 0] [1, 1] I . . . [0, 0] ... ... . . . ... [0, 0] [0, 0] . . . [1, 1] I . (10) Logo, pode-se concluir que a matriz C⊗D é a matriz inversa de A⊗B e, portanto, segue o resultado. (iii) Sejam A,B,C e X matrizes de ordem n. Calculando a matriz C = AXB, tem-se C = AXB = [ n∑ l=1 (bl1 n∑ t=1 a1txtl), n∑ l=1 (bl1 n∑ t=1 a1txtl) ] . . . [ n∑ l=1 (bln n∑ t=1 a1txtl), n∑ l=1 (bln n∑ t=1 a1txtl) ] . . . . . . . . .[ n∑ l=1 (bl1 n∑ t=1 antxtl), n∑ l=1 (bl1 n∑ t=1
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