朱月紅 鄭一博
(河北地質大學光電技術研究所 河北 石家莊 050031;河北省光電信息與地球探測技術重點實驗室 河北 石家莊 050031)
朱占龍
(河北省光電信息與地球探測技術重點實驗室 河北 石家莊 050031;河北地質大學信息工程學院 河北 石家莊 050031)
唐雪雷 潘媛媛
(河北地質大學信息工程學院 河北 石家莊 050031)
王 遠 楊清蓮
(河北地質大學光電技術研究所 河北 石家莊 050031;河北省光電信息與地球探測技術重點實驗室 河北 石家莊 050031)
趙克勤提出集對分析(Set Pair Analysis,簡寫為SPA),將其作為一種系統(tǒng)分析方法,同時結合熵的概念提出聯(lián)系熵,將系統(tǒng)的確定性與不確定性有機結合起來,并討論了聯(lián)系熵與模糊熵、物理熵、信息熵、負熵、熱力學熵的聯(lián)系[1].認為聯(lián)系熵是一種綜合熵,其他形式的熵都可以看作是聯(lián)系熵中的某個部分熵[2~4].聯(lián)系熵適用于度量事件發(fā)展的有序與無序,反映集對事件的內部混亂狀態(tài),可用于風險及安全評價、教學測量與評價等.在此采用聯(lián)系熵方法對工科專業(yè)的專業(yè)課成績進行分析與評價.
兩個集合A和B組成集對H=(A,B),在某個具體問題背景下,對這個集對H的特性分析,得到N個特性,其中有S個為集對H中兩個集合A和B所共有,在P個特性上集合A和B相對立,在其余F=N-S-P個特性上既不相互對立,又不為兩個集合共同具有,則這個集對H中兩個集合A和B的聯(lián)系度可以表示為[4]
μ=a+bi+cj
(1)
聯(lián)系熵由同熵Sa、異熵Sb、反熵Sc3部分構成,其定義如下[3]:
同熵Sa=∑anlnan
(2)
異熵Sb=i∑bnlnbn
(3)
反熵Sc=j∑cnlncn
(4)
聯(lián)系熵S=Sa+Sb+Sc
(5)
教學過程中學生每學期的每一門課程考核成績,都有相應的成績統(tǒng)計分析.學校也需要掌握每個學生的課程成績及學習情況.成績統(tǒng)計分析主要有平時成績、期末成績、不同分數(shù)段的人數(shù)及占比、最高分、最低分、平均分等信息.這些信息可以很直觀地從成績表中得出.
但是,班級之間在同一門課程中的差異,或同一班級在不同課程中的差異,這些信息不能從成績表中直接得出.為科學準確地獲取這些差異,現(xiàn)采用聯(lián)系熵的方法對成績進行分析,以獲取班級之間的差異,為教學改革提供參考.
下面以光電信息科學與工程3個班為研究對象,甲、乙、丙3個班的光電信息物理基礎課程成績如表1所示,成績分為優(yōu)、中、差3檔.分檔標準為:分數(shù)≥80為優(yōu),60≤分數(shù)<80為中,分數(shù)<60分為差.
表1 甲、乙、丙3個班的光電信息物理基礎課程成績
根據(jù)上述分檔標準,可得到各檔占比分別為
甲班:“優(yōu)”的學生數(shù)占0.26;“中”的學生數(shù)占0.57;“差”的學生數(shù)占0.17.
乙班:“優(yōu)”的學生數(shù)占0.48;“中”的學生數(shù)占0.52;“差”的學生數(shù)占0.
丙班:“優(yōu)”的學生數(shù)占0.06;“中”的學生數(shù)占0.39;“差”的學生數(shù)占0.55.
則甲、乙、丙3個班的學生成績的聯(lián)系度形式為
μ甲=0.26+0.57i+0.17j
(6)
μ乙=0.48+0.52i+0j
(7)
μ丙=0.06+0.39i+0.55j
(8)
μ甲,μ乙,μ丙3個聯(lián)系度的平均聯(lián)系度μ為
(9)
從式(6)~(9)可以得出
即丙班b值最小,乙班的b值次之,甲班的b值最大.根據(jù)集對分析理論,b值是對處于a與c之間中間事物狀態(tài)的一種度量,稱之為不確定性,因此,甲、乙、丙3個班學生成績,相對來說,b值最小的丙班最穩(wěn)定,b值最大的甲班最不穩(wěn)定,b值介于兩者之間的乙班穩(wěn)定性處于兩者之間.
現(xiàn)對甲、乙、丙3個班的學生成績從熵的角度進行描述和分析.根據(jù)式(2)~(5)可得
同熵Sa=∑anlnan=-0.871 35
(10)
異熵Sb=i∑bnlnbn=-1.027 68i
(11)
反熵Sc=j∑cnlncn=-0.630 04j
(12)
總聯(lián)系熵S總=Sa+Sb+Sc=
-0.871 35-1.027 68i-0.630 04j
(13)
相應的甲、乙、丙3個班的學生成績的聯(lián)系熵S甲,S乙,S丙分別為
S甲=0.26ln 0.26+i0.57ln 0.57+j0.17ln 0.17=
-0.350 24-i0.320 41-j0.301 23
(14)
S乙=0.48ln 0.48+i0.52ln 0.52+0j=
-0.352 31-i0.340 04-0j
(15)
S丙=0.06ln 0.06+i0.39ln 0.39+j0.55ln 0.55=
-0.168 8-i0.367 23-j0.328 81
(16)
為比較式(13)~(16)這4式的計算結果,從式(6)~(9)中,根據(jù)i的比例取值法[3],令i=0.27,則
S總=-0.871 35-0.277 47+0.630 04=
-0.518 78
(17)
S甲=-0.350 24-0.086 51+0.301 23=
-0.135 52
(18)
S乙=-0.352 31-0.091 81+0=
-0.444 12
(19)
S丙=-0.168 8-0.099 15+0.328 81=
0.060 854
(20)
可以看出S總=S甲+S乙+S丙,滿足式(13).甲、乙、丙3個班的平均熵
(21)
從式(18)~(21)可以看出
乙班的聯(lián)系熵最小,丙班的聯(lián)系熵最大,甲班的聯(lián)系熵介于二者之間.結合甲、乙、丙班3個班的b值大小比較,可以看到丙班的b值最小,其穩(wěn)定性最高,整體成績最差,聯(lián)系熵最大.乙班的聯(lián)系熵最小,整體成績最好,但其b值介于甲班和丙班之間,說明其穩(wěn)定性不是最好.甲班的b值最大,其穩(wěn)定性最差,其聯(lián)系熵介于丙班和乙班之間,成績也位于二者之間.
采用聯(lián)系熵方法對學生成績進行了分析與評價.通過對光電信息科學與工程專業(yè)的甲、乙、丙3個班的同一門課程成績進行分析,顯示丙班成績最差,其聯(lián)系熵最大,b值最小,穩(wěn)定性最好;乙班成績最好,其聯(lián)系熵最小,b值居中,穩(wěn)定性也居中;甲班成績居中,其聯(lián)系熵居中,b值最大,穩(wěn)定性最差.從這個結論可以看出,成績最好的班級,其聯(lián)系熵最小.成績最差的班級,其聯(lián)系熵最大,成績的提高與聯(lián)系熵的減小方向一致,這與熵增原理相吻合,說明該方法可以分析學生成績[5].