background image

    

FUZZY  

LOGIC

1

• 1

background image

                     Index

• 2

 Brief History

 What is fuzzy logic?

 Fuzzy Vs Crisp Set

 Membership Functions

 Fuzzy Logic Vs Probability

 Why use Fuzzy Logic?

 Fuzzy Linguistic Variables

 Operations on Fuzzy Set 

 Fuzzy Applications

 Case Study

 Drawbacks

 Conclusion

 Bibliography

background image

• GEORGE 

CANTOR

• George Cantor, in 1870’s, 

gave the concept of set 
theory which is of great 

importance in 

mathematics.

SET THEORY

 GEORGE CANTOR:
 His Mathematics and philosophy of infinite,B oston.

background image

                Brief History

• 4

 Classical logic of Aristotle: Law of Bivalence  

“Every proposition is either True or False(no 
middle)”

 Jan Lukasiewicz proposed three-valued logic : 

True, False and Possible

 Finally Lofti Zadeh  published his paper on fuzzy 

logic-a part of set theory  that operated over the 
range [0.0-1.0]

background image

What is Fuzzy Logic?

Fuzzy logic is a superset of Boolean 

(conventional) logic that handles the 
concept of partial truth, which is truth 
values between "completely true" and 
"completely false”.

Fuzzy logic is multivalued. It deals 

with degrees of membership and 
degrees of truth.

Fuzzy logic uses the continuum of 

logical values between 0 (completely 
false) and 1 (completely true).

• 5

Boolea

n

(crisp)

Fuzzy

background image

  

• 6

For example, let a 100 ml glass 
contain 30 ml of water. Then we may 
consider two concepts: Empty and 
Full.

In boolean logic  there are  two 
options for answer i.e.  either the 
glass is half full or glass is  half 
empty. 

   100 ml

30 ml

In fuzzy concept  one might define 
the glass as being 0.7 empty and 
0.3 full.

background image

• 7

Fuzzy Thinking

The concept of a set and set theory are powerful 

concepts in mathematics.  However, the principal notion 
underlying set theory, that an element can (exclusively) 
either belong to set or not belong to a set, makes it well 
nearly impossible to represent much of human 
discourse.  How is one to represent notions like:

large profit

high pressure

tall man

moderate temperature

Ordinary set-theoretic representations will require the 

maintenance of a crisp differentiation in a very artificial 
manner:

high

not quite high

very high … etc.

background image

FUZZY SET THEORY

Fuzzy Set Theory was formalised 

by Professor Lotfi  Zadeh at the 
University of California in 1965 
to generalise classical set theory. 
Zadeh was almost single 
handedly responsible for the 
early development in this field. 

• LOTFI  ZADEH

•   

• REFERENCES:

 Zadeh L.A.(1965)Fuzzy sets. Information and 

Control,8(1965),338-353.

 Zadeh L.A.(1978)Fuzzy Sets as the Basis for a 

Theory of Possibility. Fuzzy Sets and Systems

background image

            Fuzzy Vs. Crisp 
Set

• 9

A

A’

• a

• a

• b

• b

• c

Fuzzy set

Crisp set

• a: member of 

crisp set A

• b: not a member 

of set A

• a: full member of fuzzy set 

A’

• b: not a member of set A’
• c:partial member of set A’

background image

Fuzzy Vs. Crisp Set

Crisp set

Fuzzy  set

Name

Age

Degree of 

membership

Sally

5

0

Jenny

18

0

Christen

25

1

Name

Age

Degree of 

membership

Sally

5

0

Jenny

18

0.75

Christen

25

1

• 10

background image

Crisp Set and Fuzzy Set

• 11

μ 

a

(x)={    1   if element x belongs to the 

set A
                  0  otherwise
            }
              

• Classical set theory enumerates all 

element using A={a

1

,a

2

,a

3

,a

4

…,a

n

}

Set A can be represented by Characteristic 
function

Example: Consider space X consisting of natural 
number<=12
Prime={x contained in X | x is prime 
number={2,3,5,7,11}

background image

• Formal definition:

• A fuzzy set 

A 

in 

X

 is expressed as a set of 

ordered pairs:

• Fuzzy set

• Members

hip

• function

• (MF)

• Universe or

• universe of 

discourse

• A fuzzy set is totally characterized 

by a

• membership function (MF).

Fuzzy Sets

A

x

x x X

A

{( ,

( ))|

}

{

background image

Membership Functions

• 13

          adult(x)=  {     0,                              if age(x)  < 
16years
                                     
                              (age(x)-16years)/4,     if 16years  < = 
age(x)< = 20years, 
                                                                           
                                        1,                        if age(x)  > 
20years
                             }          
 

 

                                                                                                   

                         

background image

Crisp Set and Fuzzy Set

• 14

A fuzzy set can be represented by:
A={{ x, A(x) }}
 where, A(x) is the membership grade of a element x in 
fuzzy set
SMALL={{1,1},{2,1},{3,0.9},{4,0.6},{5,0.4},{6,0.3},
{7,0.2},{8,0.1},{9,0},{10,0},{11,0},{12,0}}

• In fuzzy set theory elements have varying degrees of 

membership

background image

    

• 15

Features of a membership 
function

core

support

boundary

1

0

μ (x)

x

 Core: region 

characterized by full 
membership in set A’ 
i.e.      μ (x)=1.

 Supportregion 

characterized by 
nonzero membership  in 
set A’ i.e. μ(x) >0.

 Boundary: region 

characterized by partial 
membership in set A’ 
i.e.     0< μ (x) <1

A membership function is a 
mathematical function which 
defines the degree of an 
element's membership in a fuzzy 
set.

background image

A ‘crisp’ set, A, can be defined 

as a set which consists of 

elements with either full or no 

membership at all in the set. 

Each item in its universe is 

either in the set, or not.

A  “fuzzy  set”  is  defined  as  a 

class 

of 

objects 

with 

continuum 

of 

grades 

of 

membership

.  It  is  characterized 

by a  “membership function” or  
“characteristic  function”  that 
assigns  to  each  member  of  the 
fuzzy 

set 

degree 

of 

membership in the unit interval 
[0,1].

Definition of Crisp Set and 

Fuzzy Sets

background image

• 17

• One can define the crisp set “circles” as:

• The fuzzy set “circles can be defined as:

Crisp and Fuzzy example

background image

Fuzzy Membership 

Functions

One of the key issues in all fuzzy sets is 

how to determine fuzzy membership 

functions

The membership function fully defines 

the fuzzy set

A membership function provides a 

measure of the degree of similarity of an 

element to a fuzzy set

Membership functions can take any 

form, but there are some common 

examples that appear in real 

applications

background image

Membership functions can: 

 

- either be chosen by the user arbitrarily,  

based     

   on the user’s experience (MF chosen by two 

   users could be different depending upon 

their 

   experiences, perspectives, etc.)

- Or be designed using machine learning 

methods (e.g., artificial neural networks, 

genetic algorithms, etc.)

There are different shapes of membership 

functions; triangular, trapezoidal, piecewise-

linear, Gaussian, bell-shaped, etc

.

background image

      Fuzzy Logic Vs Probability

• 20

 Both operate over the same numeric range and 

at first glance both have similar values:0.0 
representing false(or non-membership) and 1.0 
representing true.

 In terms of probability, the natural language 

statement would be ”there is an 80%  chance 
that Jane is old.”

 While the fuzzy terminology corresponds to 

“Jane’s degree of membership within the set of 
old people is 0.80.’

 Fuzzy logic uses truth degrees as a 

mathematical model of the vagueness 
phenomenon while probability is a mathematical 
model of ignorance.

background image

         Why use Fuzzy 
Logic?

• 21

 Fuzzy logic is flexible.

Fuzzy logic is conceptually easy to understand.

 Fuzzy logic is tolerant of imprecise data.

 Fuzzy logic is based on natural language.

background image

Membership Functions

Trapezoidal Membership 

Function

Triangular Membership Function

(

)

0

 x<

(

)/(

)

 

,  ,  ,  ,    = 

    

1

 

(

)/(

)

 

0

 

for

x

for

x

X

for

x

x

for

x

for x

a

a

b a

a

b

a b g d

b

g

d

d g

g

d

d

� -

-

� �

� �

� -

-

� �

>

(

)

0

 x< a

(

)/(

)

 a

, a, b, c   = 

   

   

(

)/(

)

 b

0

 

for

x a b a for

x b

T X

c x c b

for

x c

for x c

� -

-

� �

-

-

� �

>

background image

Gaussian membership 

function

Where   c – centre , s -  width and  m - 

fuzzification factor 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

µ

A

(x)

• c=5

• s=2

• m=

2

1

( , , , ) exp

2

m

A

x c

x c s m

s

m

-

=

-

background image

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

• c=

5

• s=

0.5

• m=

2

• c=

5

• s=

5

• m

=2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

• c=5

• s=2

• m=0

.2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

• c=5

• s=5

• m=

5

background image

• 25

Crisp Sets vs. Fuzzy Sets

• The classical example in fuzzy sets is “

tall men

”.  The elements of 

the fuzzy set “tall men” are all men, but their degrees of 

membership depend on their height.

• The x-axis represents the universe of discourse – the range of all 

possible values applicable to a chosen variable. In our case, the 

variable is the man height. According to this representation, the 

universe of men’s heights consists of all tall men.

• The y-axis represents the membership value of the fuzzy set.  In 

our case, the fuzzy set of “tall men” maps height values into 

corresponding membership values.

150

210

170

180

190

200

160

Height, cm

Degree of

Membership

Tall Men

150

210

180

190

200

1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

160

Degree of

Membership

170

1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Height, cm

Fuzzy Sets

Crisp Sets

 

Degree of Membership 

Fuzzy

 

Sham

 

John

 

Tom

 

Bob

 

Bill

 

1

 

1

 

1

 

0

 

0

 

1.00

 

1.00

 

0.98

 

0.82

 

0.78

 

Peter

 

Steven

 

Mike

 

David

 

Ram

 

Crisp

 

1

 

0

 

0

 

0

 

0

 

0.24

 

0.15

 

0.06

 

0.01

 

0.00

 

Name

 

Height, cm

 

205 
198 
181 

167 

155 
152 

158 

172 

179 

208 

background image

• 26

Fuzzy Set Representation

First, we determine the 

membership functions. In 
our “tall men” example, 
we can define fuzzy sets 
of tallshort and average 
men.

The universe of 

discourse for three 
defined fuzzy sets consist 
of all possible values of 
the men’s heights. 

For example, a man 

who is 184 cm tall is a 
member of the average 
men set with a degree of 
membership of 0.1, and 
at the same time, he is 
also a member of the tall 
men set with a degree of 
0.4.

background image

CRISP SET V/S FUZZY SET(Cont.)

The most obvious limiting feature 
of bivalent sets that can be seen 
clearly from the diagram is that 
they are mutually exclusive - it is 
not possible to have membership 
of more than one set

Fuzzy sets however define 
degree of membership.

background image

The Crips set operations of union, intersection and 

complementation are defined in terms of characteristic 
functions as follows:

Union: 

A∪B

(x) = max(

A

(x), 

B

(x))  

Intersection: 

 

A∩B

(x) = min(

A

(x), 

B

(x))

Complement: 

not A

(x) = 1- 

A

(x)

 The other set theory constructs that are essential are: 

Crips Set Inclusion: 

A ⊂ B   if and only if   ∀x (for all x)   

A

(x) =1 implies 

B

(x)=1  

Crips Set Equality: 

    A= B if and only if     ∀x (for all x)               

A

(x)= 

B

(x). 

CRISP SET OPERATIONS

background image

The fuzzy set operations of union, intersection and 

complementation are defined in terms of  membership 
functions as follows:

Union: 

A∪B

(x) = max(

A

(x), 

B

(x))  

Intersection: 

 

A∩B

(x) = min(

A

(x), 

B

(x))

Complement: 

not A

(x) = 1- 

A

(x)

 The other fuzzy set theory constructs that are essential 
are: 

Fuzzy Set Inclusion: 

A ⊂ B   if and only if   ∀x (for all x) 

A

(x) ≤ 

B

(x)  

Fuzzy Set Equality: 

    A= B if and only if     ∀x (for all x) 

A

(x) = 

B

(x). 

.

FUZZY SET OPERATIONS

background image

Representation of Union of two 

crisp sets and fuzzy sets

background image

Representation of Intersection 

of two crisp sets and fuzzy sets

background image

Representation of Complement 

of a crisp set and a Fuzzy set

background image

Examples of Fuzzy Sets 

background image
background image

Fuzzy Linguistic Variables

Fuzzy Linguistic Variables are used to represent 
qualities spanning a particular spectrum

Temp:

 {

Freezing

Cool

Warm

Hot

}

• 35

background image

    Operations on Fuzzy 
Set

• 36

A

B

    
μ

A

    

μ

B

A= {1/2  + .5/3 + .3/4 + .2/5}B= {.5/2 + .7/3 + .2/4 + 

.4/5}

Consider:

 >Fuzzy set 

(A)

>Fuzzy set 

(B)

>Resulting operation of fuzzy 

sets

background image

INTERSECTIO

N

(A ^ B)

UNION

(A B)

COMPLEMEN

T

(¬A)

    μ

A ∩ 

B

    μ

U

    μ

μ

A∩ B 

= min (μ

A

(x), 

μ

B

(x))

{.5/2 + .5/3 + .2/4 + .

2/5}

μ

AUB 

= max (μ

A

(x), 

μ

B

(x))

{1/2 + .7/3 + .3/4 + .

4/5}

μ

A’ 

= 1-μ

A

(x)

{1/1 + 0/2 + .5/3 + .7/4 

+ .8/5}

• 37

background image

Example Speed Calculation

   

• 38

How fast will I go if it is 

 65 F°

 25 % Cloud Cover ?

background image

Input

Temp: {Freezing, Cool, Warm, Hot}

Cover: {Sunny, Partly 

cloudy, Overcast}

Output:

Speed: {Slow, Fast}

• 39

background image

 If it's Sunny and Warm, drive Fast

     Sunny(Cover)Warm(Temp) Fast(Speed) 

 If it's Cloudy and Cool, drive Slow

    Cloudy(Cover)Cool(Temp) Slow(Speed)

 Driving Speed is the combination of output of 

these rules... 

 

Rules

• 40

background image

  65 F°  Cool = 0.4, Warm=  0.7

  25% Cover Sunny = 0.8, Cloudy 

= 0.2

Fuzzification:

Calculate Input Membership Levels

• 41

background image

  Calculating:

If it's Sunny and Warm, drive Fast

Sunny(Cover)Warm(Temp)Fast(Speed)

0.8 

 0.7 = 0.7 

 

 

Fast = 0.7

If it's Cloudy and Cool, drive Slow

Cloudy(Cover)Cool(Temp)Slow(Speed)

0.2  0.4 = 0.2
 

 

Slow = 0.2

• 42

background image

 Speed is 20% Slow and 70% Fast

 Find centroids: Location where membership 

is 100%

 Speed = weighted mean 

= (2*25+7*75)/(9)
= 63.8 mph

Defuzzification:

Constructing the Output 

• 43

background image

Fuzzy Applications

• 44

   Automobile and other vehicle subsystems : 

used to control

       the speed of vehicles, in Anti Braking System.

 Temperature controllers : Air conditioners, 

Refrigerators

 Cameras : for auto-focus

 Home appliances: Rice cookers , Dishwashers , 

Washing     

     machines and others

background image

 Fuzzy logic is not always accurate. The results are 

perceived as

     a guess, so it may not be as widely trusted .

Requires tuning of membership functions  which is 

difficult to 

    estimate.

 Fuzzy Logic control may not scale well to large or 

complex 

     problems

 Fuzzy logic can be easily confused with 

probability theory, and

    the terms used interchangeably. While they are 
similar concepts, 
    they do not say the same things. 

               

Drawbacks

• 45

background image

 Fuzzy Logic provides way to calculate with 

imprecision and 

    vagueness.

 Fuzzy Logic can be used to represent some kinds of 

human 

    expertise .

 The  control stability, reliability, efficiency, and 

durability  of fuzzy

     logic makes it popular. 

 The speed and complexity of application production 

would not be

     possible without systems like fuzzy logic. 

               

Conclusion

• 46

background image

Bibliography

• 47

 BOOKS:

• Artificial Intelligence by Elaine Rich, Kelvin Knight and 

          Shivashankar B  Nair 

• Fuzzy Thinking by Bart Kosko

 WEBSITES :

h
ttp://www.seattlerobotics.org/encoder/mar98/fuz/flin
dex.html

http://www.dementia.org/~julied/logic/index.html

 

http://mathematica.ludibunda.ch/fuzzy-logic.html


Document Outline